克萊因瓶是一個(gè)不可定向的二維緊流形，而球面或輪胎面是可 克萊因瓶 克萊因瓶 定向的二維緊流形。如果觀察克萊因瓶，有一點(diǎn)似乎令人困惑－－克萊因瓶的瓶頸和瓶身是相交的，換句話說(shuō)，瓶頸上的某些點(diǎn)和瓶壁上的某些點(diǎn)占據(jù)了三維空間中的同一個(gè)位置。我們可以把克萊因瓶放在四維空間中理解：克萊因瓶是一個(gè)在四維空間中才可能真正表現(xiàn)出來(lái)的曲面。如果我們一定要把它表現(xiàn)在我們生活的三維空間中，我們只好將就點(diǎn)，把它表現(xiàn)得似乎是自己和自己相交一樣。克萊因瓶的瓶頸是穿過(guò)了第四維空間再和瓶底圈連起來(lái)的，并不穿過(guò)瓶壁。用扭結(jié)來(lái)打比方，如果把它看作平面上的曲線的話，那么它似乎自身相交，再一看似乎又?jǐn)喑闪巳亍５鋵?shí)很容易明白，這個(gè)圖形其實(shí)是三維空間中的曲線。它并不和自己相交，而是連續(xù)不斷的一條曲線。在平面上一條曲線自然做不到這樣，但是如果有第三維的話，它就可以穿過(guò)第三維來(lái)避開和自己相交。只是因?yàn)槲覀円阉嬙诙S平面上時(shí)，只好將就一點(diǎn)，把它畫成相交或者斷裂了的樣子。克萊因瓶也一樣，我們可以把它理解成處于四維空間中的曲面。在我們這個(gè)三維空間中，即使是最高明的能工巧匠，也不得不把它做成自身相交的模樣；就好像最高明的畫家，在紙上畫扭結(jié)的時(shí)候也不得不把它們畫成自身相交的模樣。有趣的是，如果把克萊因瓶沿著它的對(duì)稱線切下去，竟會(huì)得到兩個(gè)莫比烏斯環(huán)。在二維看似穿過(guò)自身的繩子 在二維看似穿過(guò)自身的繩子 如果莫比烏斯帶能夠完美的展現(xiàn)一個(gè)“二維空間中一維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”的話，克萊因瓶只能作為展現(xiàn)一個(gè)“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”的參考。因?yàn)樵谥谱髂葹跛箮У倪^(guò)程中，我們要對(duì)紙帶進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)再首尾相連，這就是一個(gè)三維空間下的操作。理想的“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”應(yīng)該是在二維面中，朝任意方向前進(jìn)都可以回到原點(diǎn)的模型，而克萊因瓶雖然在二維面上可以向任意方向無(wú)限前進(jìn)。但是只有在兩個(gè)特定的方向上才會(huì)回到原點(diǎn)，并且只有在其中一個(gè)方向上，回到原點(diǎn)之前會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)“逆向原點(diǎn)”，真正理想的“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”也應(yīng)該是在二維面上朝任何方向前進(jìn)，都會(huì)先經(jīng)過(guò)一次“逆向原點(diǎn)”，再回到原點(diǎn)。而制作這個(gè)模型，則需要在四維空間上對(duì)三維模型進(jìn)行扭曲。數(shù)學(xué)中有一個(gè)重要分支叫“拓?fù)鋵W(xué)”，主要是研究幾何圖形連續(xù)改變形狀時(shí)的一些特征和規(guī)律的，克萊因瓶和莫比烏斯帶變成了拓?fù)鋵W(xué)中最有趣的問(wèn)題之一。莫比烏斯帶的概念被廣泛地應(yīng)用到了建筑，藝術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)中。三維空間里的克萊因瓶 拓?fù)鋵W(xué)的定義編輯 克萊因瓶定義為正方形區(qū)域 [0,1]×[0,1] 模掉等價(jià)關(guān)系(0,y)~(1,y), 0≤y≤1 和 (x,0)~(1-x,1), 0≤x≤1。類似于 Mobius Band, 克萊因瓶不可定向。但 Mobius 帶可嵌入   ，而克萊因瓶只能嵌入四維（或更高維）空間。莫比烏斯帶編輯 把一條紙帶的一段扭180°，再和另一端粘起來(lái)就得到一條莫比烏斯帶的模型。這也是一個(gè)只有莫比烏斯帶、一個(gè)面的曲面，但是和球面、輪胎面和克萊因瓶不同的是，它有邊（注意，它只有一條邊）。如果我們把兩條莫比烏斯帶沿著它們唯一的邊粘合起來(lái)，你就得到了一個(gè)克萊因瓶 莫比烏斯帶 莫比烏斯帶 （當(dāng)然不要忘了，我們必須在四維空間中才能真正有可能完成這個(gè)粘合，否則的話就不得不把紙撕破一點(diǎn)）。同樣地，如果把一個(gè)克萊因瓶適當(dāng)?shù)丶糸_來(lái)，我們就能得到兩條莫比烏斯帶。除了我們上面看到的克萊因瓶的模樣，還有一種不太為人所知的“8字形”克萊因瓶。它看起來(lái)和上面的曲面完全不同，但是在四維空間中它們其實(shí)就是同一個(gè)曲面－－克萊因瓶。實(shí)際上，可以說(shuō)克萊因瓶是一個(gè)3°的莫比烏斯帶。我們知道，在平面上畫一個(gè)圓，再在圓內(nèi)放一樣?xùn)|西，假如在二度空間中將它拿出來(lái)，就不得不越過(guò)圓周。但在三度空間中，很容易不越過(guò)圓周就將其拿出來(lái)，放到圓外。將物體的軌跡連同原來(lái)的圓投影到二度空間中，就是一個(gè)“二維克萊因瓶”，即莫比烏斯帶（這里的莫比烏斯帶是指拓?fù)湟饬x上的莫比烏斯帶）。再設(shè)想一下，在我們的3°空間中，不可能在不打破蛋殼的前提下從雞蛋中取出蛋黃，但在四度空間里卻可以。將蛋黃的軌跡連同蛋殼投影在三度空間中，必然可以看到一個(gè)克萊因瓶。制造經(jīng)歷編輯 過(guò)去，德國(guó)數(shù)學(xué)家克萊因就曾提出了“不可能”設(shè)想，即拓?fù)鋵W(xué)的大怪物－－克萊因瓶。這種瓶子根本沒(méi)有內(nèi)、外之分，無(wú)論從什么地方穿透曲面，到達(dá)之處依然在瓶的外面，所以，它本質(zhì)上就是一個(gè)“有外無(wú)內(nèi)”的古怪東西。盡管現(xiàn)代玻璃工業(yè)已經(jīng)發(fā)展得非常先進(jìn)，但是，所謂的“克萊因瓶”卻始終是大數(shù)學(xué)家克萊因先生腦子里頭的“虛構(gòu)物”，根本制造不出來(lái)。許多國(guó)家的數(shù)學(xué)家老是想造它一個(gè)出來(lái)，作為獻(xiàn)給國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)的禮物。然而，等待他們的是一個(gè)失敗接著一個(gè)失敗。也有人認(rèn)為，即使造不出玻璃制品，能造出一個(gè)紙模型也不錯(cuò)。如果真的解決了這個(gè)問(wèn)題，那可是個(gè)大收獲！直徑和年齡 最新的研究認(rèn)為宇宙的直徑可920億光年，甚至更大。[28] 目前可觀測(cè)的宇宙年齡大約為138.2億年。[29] 形狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 [30] 目前的宇宙理論認(rèn)為宇宙可能是類似馬鞍狀的負(fù)彎曲形狀，該理論源于宇宙大爆炸理論，整個(gè)宇宙的外形如同一個(gè)吹起的氣球，我們則生活在宇宙的“表面”。[31] 同時(shí)，科學(xué)家也認(rèn)為宇宙是平坦的，根據(jù)美國(guó)宇航局的調(diào)查，宇宙可能是平坦的，2013年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)如果宇宙是平坦的，那么誤差只有0.4%。[32] 斯蒂芬·霍金表示，我們宇宙的形狀可能是一種難以置信的幾何圖形，更接近于超現(xiàn)實(shí)主義的藝術(shù)，如同荷蘭藝術(shù)家摩里茨·科奈里斯·埃舍爾創(chuàng) 銀河系 銀河系 [33] 作的圖形一樣。霍金的想法以弦理論為依據(jù)，而該理論目前仍然還處于假設(shè)之中，并未被驗(yàn)證。如果用語(yǔ)言來(lái)形容宇宙的形狀，應(yīng)該是整體呈現(xiàn)多重鑲嵌模式，具有無(wú)限重復(fù)出現(xiàn)的扭曲面，曲面間環(huán)環(huán)相扣，如同科奈里斯·埃舍爾創(chuàng)作的“圓形極限IV”圖案，也與美國(guó)工程師P.H. Smith創(chuàng)作的“史密斯圓圖”類似，體現(xiàn)出雙曲空間的概念，是一種非歐幾何的空間形態(tài)。[34] 層次結(jié)構(gòu) 當(dāng)代天文學(xué)研究成果表明，宇宙是有層次結(jié)構(gòu)的、 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 [35] 不斷膨脹、物質(zhì)形態(tài)多樣的、不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展的天體系統(tǒng)。行星、小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，構(gòu)成太陽(yáng)系。太陽(yáng)系外也存在其他行星系統(tǒng)。約2500億顆類似太陽(yáng)的恒星和星際物質(zhì)構(gòu)成更巨大的天體系統(tǒng)——銀河系。銀河系的直徑約10萬(wàn)光年，太陽(yáng)位于銀河系的一個(gè)旋臂中，距銀心約2.6萬(wàn)光年。銀河系外還有許多類似的天體系統(tǒng)，稱為河外星系，常簡(jiǎn)稱星系。目前觀測(cè)到1000億個(gè)星系，科學(xué)家估計(jì)宇宙中至少有2萬(wàn)億個(gè)星系。星系聚集成大大小小的集團(tuán)，叫星系團(tuán)。平均而言，每個(gè)星系團(tuán)約有百余個(gè)星系，直徑達(dá)上千萬(wàn)光年。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)上萬(wàn)個(gè)星系團(tuán)。包括銀河系在內(nèi)約40個(gè)星系構(gòu)成的一個(gè)小星系團(tuán)叫本星系群。橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 [36] 若干星系團(tuán)集聚在一起構(gòu)成的更高一層次的天體系統(tǒng)叫超星系團(tuán)。超星系團(tuán)往往具有扁長(zhǎng)的外形，其長(zhǎng)徑可達(dá)數(shù)億光年。通常超星系團(tuán)內(nèi)只含有幾個(gè)星系團(tuán)，只有少數(shù)超星系團(tuán)擁有幾十個(gè)星系團(tuán)。本星系群和其附近的約50個(gè)星系團(tuán)構(gòu)成的超星系團(tuán)叫做本超星系團(tuán)。星系分類 根據(jù)可反映星系發(fā)展?fàn)顟B(tài)的序列號(hào)對(duì)星系進(jìn)行了分類，可以粗略地將星系劃分出橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系等五種。[37] 太陽(yáng)系天體 太陽(yáng)質(zhì)量占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86%，它以自己強(qiáng)大的引力將 NASA公布的太陽(yáng)風(fēng)暴的照片 NASA公布的太陽(yáng)風(fēng)暴的照片 [38] 太陽(yáng)系里的所有天體牢牢地吸引在它的周圍，使它們不離不散、井然有序地繞自己旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，太陽(yáng)又作為一顆普通恒星，帶領(lǐng)它的成員，萬(wàn)古不息地繞銀河系的中心運(yùn)動(dòng)。[39]  太陽(yáng)的半徑為696000千米，質(zhì)量為1.989×10^30kg，中心溫度約15000000 ℃，。[40]  如果一個(gè)人站在太陽(yáng)表面，那么他的體重將會(huì)是在地球上的20倍。[41]  現(xiàn)代星云假說(shuō)根據(jù)觀測(cè)資料和理論計(jì)算，提出：太陽(yáng)系原始星云是巨大的星際云瓦解的一個(gè)小云，一開始就在自轉(zhuǎn)，并在自身引力作用下收縮，中心部分形成太陽(yáng)，外部演化成星云盤，星云盤以后形成行星。目前，現(xiàn)代星云說(shuō)又存在不同學(xué)派，這些學(xué)派之間還存在著許多差別，有待進(jìn)一步研究和證實(shí)。[42] 金星是離太陽(yáng)的第二顆行星，夜空中亮度僅次于月球。[43]  金星上沒(méi)有水，大氣中嚴(yán)重缺氧，二氧化碳占97%以上，空氣中有一層厚達(dá)20千米至30千米的濃硫酸云，地面溫度從不低于400℃，是個(gè)名副其實(shí)的“煉獄”般世界。金星地面的大氣壓強(qiáng)為地球的90倍，相當(dāng)于地球海洋中900米深度時(shí)的壓強(qiáng)。金星大氣主要由二氧化碳等溫室氣體組成，失控的溫室效應(yīng)，是導(dǎo)致金星極端氣候的主要原因。由于金星沒(méi)有內(nèi)稟磁層保護(hù)，誘發(fā)磁層中磁場(chǎng)重聯(lián)釋放的巨大能量，使得金星大氣被加熱后加速逃逸。科學(xué)界認(rèn)為，金星上大氣的逃逸，是造成金星上缺水而被富含二氧化碳的稠密大氣所籠罩，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的溫室效應(yīng)的原因。[44] 木星是離太陽(yáng)第五顆行星，而且是最大的一顆，比所有其他的行星 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） [45] 的合質(zhì)量大2倍（地球的318倍），直徑142987km。它是氣態(tài)行星沒(méi)有實(shí)體表面，由90%的氫和10%的氦（原子數(shù)之比, 75/25%的質(zhì)量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石頭”組成。這與形成整個(gè)太陽(yáng)系的原始的太陽(yáng)系星云的組成十分相似。木星可能有一個(gè)石質(zhì)的內(nèi)核，相當(dāng)于10－15個(gè)地球的質(zhì)量。內(nèi)核上則是大部分的行星物質(zhì)集結(jié)地，以液態(tài)氫的形式存在。液態(tài)金屬氫由離子化的質(zhì)子與電子組成（類似于太陽(yáng)的內(nèi)部，不過(guò)溫度低多了）。木星共有67顆木衛(wèi)。按距離木星中心由近及遠(yuǎn)的次序?yàn)椋耗拘l(wèi)十六、木衛(wèi)十四、木衛(wèi)五、木衛(wèi)十五、木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、木衛(wèi)十三、木衛(wèi)六、木衛(wèi)十、木衛(wèi)七、木衛(wèi)十二、木衛(wèi)十一、木衛(wèi)八和木衛(wèi)九。[46] 水星是最接近太陽(yáng)的行星。水星的半徑約為2440公里，在八大行星中是最小的。水星晝夜溫差極大，白天攝氏 430 度，晚上約可達(dá)零下170 度，是太陽(yáng)系八大行星中溫差最大的一個(gè)行星。[47]  水星的外大氣層非常稀薄，是由水星表面和太陽(yáng)風(fēng)中的原子和離子構(gòu)成。[48]  科學(xué)家確認(rèn)水星表面含有豐富的碳，認(rèn)為碳是水星表面呈黑色的原因，水星表面的巖石是由低重量百分比的石墨碳構(gòu)成。[49] “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 [50] 火星是地球的近鄰，是太陽(yáng)系由內(nèi)往外數(shù)第四顆行星。直徑6794km，體積為地球的15%，質(zhì)量為地球的11%。火星表面是一個(gè)荒涼的世界，空氣中二氧化碳占了95%。火星大氣十分稀薄，密度還不到地球大氣的1%，因而根本無(wú)法保存熱量。這導(dǎo)致火星表面溫度極低，很少超過(guò)0℃，在夜晚，最低溫度則可達(dá)到-123℃。火星被稱為紅色的行星，這是因?yàn)樗砻娌紳M了氧化物，因而呈現(xiàn)出鐵銹紅色。其表面的大部分地區(qū)都是含有大量的紅色氧化物的大沙漠，還有赭色的礫石地和凝固的熔巖流。火星上常常有猛烈的大風(fēng)，大風(fēng)揚(yáng)起沙塵能形成可以覆蓋火星全球的特大型沙塵暴。每次沙塵暴可持續(xù)數(shù)個(gè)星期。火星兩極的冰冠和火星大氣中含有水份。從火星表面獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)證明，在遠(yuǎn)古時(shí)期，火星曾經(jīng)有過(guò)液態(tài)的水，而且水量特別大。[51] 土星是離太陽(yáng)第六顆行星，直徑120536㎞，體積僅次于木星。主要由氫組成，還有少量的氦與微量元素，內(nèi)部的核心包括巖石和冰，外圍由數(shù)層金屬氫和氣體包裹著。地球距離土星13億公里。土星的引力比地球強(qiáng)2.5倍，能夠牽引太陽(yáng)系內(nèi)其它行星，使地球處于一個(gè)橢圓軌道中運(yùn)行，并且與太陽(yáng)保持適當(dāng)距離，適宜生命繁衍。當(dāng)土星軌道傾斜20度將使地球軌道比金星軌道更接近太陽(yáng)，同時(shí)，這將導(dǎo)致火星完全離開太陽(yáng)系。[52]  土星是已知唯一密度小于水的行星，假如能夠?qū)⑼列欠湃胍粋€(gè)巨大的浴池之中，它將可以漂浮起來(lái)。土星有一個(gè)巨大的磁氣圈和一個(gè)狂風(fēng)肆虐的大氣層，赤道附近的風(fēng)速可達(dá)1800千米/時(shí)。在環(huán)繞土星運(yùn)行的31顆衛(wèi)星中間，土衛(wèi)六是最大的一顆，比水星和月球還大，也是太陽(yáng)系中唯一擁有濃厚大氣層的衛(wèi)星。[53] 天王星是離太陽(yáng)第七顆行星，51118km。體積約為地球的65倍，在九大行星中僅次于木星和土星。天王星的大氣層中83%是氫，15%為氦，2%為甲烷以及少量的乙炔和碳?xì)浠衔铩Ｉ蠈哟髿鈱拥募淄槲占t光，使天王星呈現(xiàn)藍(lán)綠色。大氣在固定緯度集結(jié)成云層，類似于木星和土星在緯線上鮮艷的條狀色帶。天王星云層的平均溫度為零下193攝氏度。質(zhì)量為8.6810±13×102?kg，相當(dāng)于地球質(zhì)量的14.63倍。密度較小，只有1.24克/立方厘米，為海王星密度值的74.7%。[54] 恒星 恒星 海王星是離太陽(yáng)的第八顆行星，直徑49532千米。海王星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道半徑為45億千米，公轉(zhuǎn)一周需要165年。海王星的直徑和天王星類似，質(zhì)量比天王星略大一些。海王星和天王星的主要大氣成分都是氫和氦，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也極為相近，所以說(shuō)海王星與天王星是一對(duì)孿生兄弟。[55]  海王星有太陽(yáng)系最強(qiáng)烈的風(fēng)，測(cè)量到的時(shí)速高達(dá)2100公里。海王星云頂?shù)臏囟仁牵?18 °C，是太陽(yáng)系最冷的地區(qū)之一。海王星核心的溫度約為7000 °C，可以和太陽(yáng)的表面比較。海王星在1846年9月23日被發(fā)現(xiàn)，是唯一利用數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)而非有計(jì)劃的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的行星。[56] 冥王星，位于海王星以外的柯伊伯帶內(nèi)側(cè)，是柯伊伯帶中已知的最大天體。[57]  直徑約為2370±20km，是地球直徑的18.5%。[58]  2006年8月24日，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)24日投票決定，不再將傳統(tǒng)九大行星之一的冥王星視為行星，而將其列入“矮行星”。大會(huì)通過(guò)的決議規(guī)定，“行星”指的是圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)、自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀、能夠清除其軌道附近其他物體的天體。在太陽(yáng)系傳統(tǒng)的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合這些要求。冥王星由于其軌道與海王星的軌道相交，不符合新的行星定義，因此被自動(dòng)降級(jí)為“矮行星”。[59]  冥王星的表面溫度大概在-238到-228℃之間。冥王星的成份由70%巖石和30%冰水混合而成的。地表上光亮的部分可能覆蓋著一些固體氮以及少量 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過(guò)地球，可見清晰月球背面 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過(guò)地球，可見清晰月球背面 [60] 的固體甲烷和一氧化碳，冥王星表面的黑暗部分可能是一些基本的有機(jī)物質(zhì)或是由宇宙射線引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)。冥王星的大氣層主要由氮和少量的一氧化碳及甲烷組成。大氣極其稀薄，地面壓強(qiáng)只有少量微帕。[61] 地球是離太陽(yáng)第三顆行星，是我們?nèi)祟惖募亦l(xiāng)，盡管地球是太陽(yáng)系中一顆普通的行星，但它在許多方面都是獨(dú)一無(wú)二的。比如，它是太陽(yáng)系中唯一一顆面積大部分被水覆蓋的行星，也是目前所知唯一一顆有生命存在的星球。質(zhì)量M=5.9742 ×10^24 公斤，表面溫度：t = - 30 ～ +45。[62]  英國(guó)科研人員在《天體生物學(xué)》雜志上報(bào)告說(shuō)，如果沒(méi)有小行星撞擊等可能劇烈改變環(huán)境的事件發(fā)生，地球適宜人類居住的時(shí)間還剩約17.5億年，不過(guò)人為造成的氣候變化可能縮短這一時(shí)間。[63] 彗星是由灰塵和冰塊組成的太陽(yáng)系中的一類小天體，繞日運(yùn)動(dòng)。[64]  科學(xué)家使用探測(cè)器對(duì)彗星的化學(xué)遺留物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要成份為氨、甲烷、硫化氫、氰化氫和甲醛。科學(xué)家得出結(jié)論稱，彗星的氣味聞起來(lái)像是臭雞蛋、馬尿、酒精和苦杏仁的氣味綜合。[65-66] “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 [67] 在太陽(yáng)系的周圍還包裹著一個(gè)龐大的“奧爾特云”。星云內(nèi)分布著不計(jì)其數(shù)的冰塊、雪團(tuán)和碎石。其中的某些會(huì)受太陽(yáng)引力影響飛入內(nèi)太陽(yáng)系，這就是彗星。這些冰塊、雪團(tuán)和碎石進(jìn)入太陽(yáng)系內(nèi)部，其表面因受太陽(yáng)風(fēng)的吹拂而開始揮發(fā)。所以彗星都拖著一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，而且越靠近太陽(yáng)尾巴越長(zhǎng)、越明顯。太陽(yáng)系內(nèi)的星際空間并不是真空的，而是充滿了各種粒子、射線、氣體和塵埃。[68] 柯伊伯帶，是一種理論推測(cè)認(rèn)為短周期彗星是來(lái)自離太陽(yáng)50—500天文單位的一個(gè)環(huán)帶，位于太陽(yáng)系的盡頭。柯伊伯帶是冰質(zhì)殘片組成的巨環(huán)，位于海王星軌道之外，環(huán)繞著太陽(yáng)系的外邊緣。[69] 物質(zhì)多樣性 紅巨星，當(dāng)一顆恒星度過(guò)它漫長(zhǎng)的青壯年期——主序星階段，步入老年期時(shí)，它將首先變?yōu)橐活w紅巨星。稱它為“巨星”，是突出它的體積巨大。在巨星階段，恒星的體積將膨脹到十億倍之多。稱它為“紅”巨星，是因?yàn)樵谶@恒星迅速膨脹的同時(shí)，它的外表面離中心越來(lái)越遠(yuǎn)，所以溫度將隨之而降低，發(fā)出的光也就越來(lái)越偏紅。不過(guò)，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。紅巨星一旦形成，就朝恒星的下一階段白矮星進(jìn)發(fā)。[70] 白矮星，是一種低光度、高密度、高溫度的恒星。因?yàn)轭伾拾咨Ⅲw積比較矮小，因此被命名為白矮星。哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過(guò)程 哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過(guò)程 [71] 白矮星是一種很特殊的天體，它的體積小、亮度低，但質(zhì)量大、密度極高。白矮星是中低質(zhì)量的恒星的演化路線的終點(diǎn)。在紅巨星階段的末期，恒星的中心會(huì)因?yàn)闇囟取毫Σ蛔慊蛘吆司圩冞_(dá)到鐵階段而停止產(chǎn)生能量。恒星外殼的重力會(huì)壓縮恒星產(chǎn)生一個(gè)高密度的天體。一個(gè)典型的穩(wěn)定獨(dú)立白矮星具有大約半個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，比地球略大。這種密度僅次于中子星和夸克星。如果白矮星的質(zhì)量超過(guò)1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對(duì)抗重力，電子會(huì)被壓入原子核而形成中子星。原子是由原子核和電子組成的，原子的質(zhì)量絕大部分集中在原子核上，在巨大的壓力之下，電子將脫離原子核，成自由電子。這種自由電子氣體將盡可能地占據(jù)原子核之間的空隙，從而使單位空間內(nèi)包含的物質(zhì)也將大大增多，密度大大提高了。形象地說(shuō)，這時(shí)原子核是“沉浸于”電子中，常稱之為“簡(jiǎn)并態(tài)”。[72]  大多數(shù)的恒星內(nèi)核通過(guò)氫核聚變進(jìn)行燃燒，將質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚a(chǎn)生光和熱量，當(dāng)恒星內(nèi)部氫燃料完成消耗完后就開始進(jìn)行氦融合反應(yīng)，并形成更重的碳和氧，這一過(guò)程對(duì)于類似太陽(yáng)這樣的恒星而言，就顯得較為短暫，并形成碳氧組成的白矮星，如果其質(zhì)量大于1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，就會(huì)發(fā)生Ia型超新星爆發(fā)。[73] 類星體,20世紀(jì)60年代以來(lái)，天文學(xué)家還找到一種在銀河系以外像恒星一樣表現(xiàn)為一個(gè)光點(diǎn)的天體，但實(shí)際上它的光度和質(zhì)量又和星系一樣，我們叫它類星體，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)這種天體。[74] 超新星，是恒星演化過(guò)程中的一個(gè)階段。超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。一般認(rèn)為質(zhì)量小于9倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的恒星，在經(jīng)歷引力坍縮的過(guò)程后是無(wú)法形成超新星的。[75]  在大質(zhì)量恒星演化到晚期，內(nèi)部不能產(chǎn)生新的能量，巨大的引力將整個(gè)星體迅速向中心坍縮，將中心物質(zhì)都?jí)撼芍凶訝顟B(tài)，形成中子星，而外層下坍的物質(zhì)遇到這堅(jiān)硬的“中子核”反彈引起爆炸。這就成為超新星爆發(fā)，質(zhì)量更大時(shí)，中心更可形成黑洞。[76]  在超新星爆發(fā)的過(guò)程中所釋放的能量，需要我們的太陽(yáng)燃燒900億年才能與之相當(dāng)。[77]  超新星研究有著關(guān)乎人類自身命運(yùn)的深層意義。如果一顆超新星爆發(fā)的位置非常接近地球，目前國(guó)際天文學(xué)界普遍認(rèn)為此距離在100光年以內(nèi)，它就能夠?qū)Φ厍虻纳锶Ξa(chǎn)生明顯的影響，這樣的超新星被稱為近地超新星。有研究認(rèn)為，在地球歷史上的奧陶紀(jì)大滅絕，就是一顆近地超新星引起的，這次滅絕導(dǎo)致當(dāng)時(shí)地球近60%的海洋生物消失。[78

克萊因瓶是一個(gè)不可定向的二維緊流形，而球面或輪胎面是可 克萊因瓶 克萊因瓶 定向的二維緊流形。如果觀察克萊因瓶，有一點(diǎn)似乎令人困惑－－克萊因瓶的瓶頸和瓶身是相交的，換句話說(shuō)，瓶頸上的某些點(diǎn)和瓶壁上的某些點(diǎn)占據(jù)了三維空間中的同一個(gè)位置。我們可以把克萊因瓶放在四維空間中理解：克萊因瓶是一個(gè)在四維空間中才可能真正表現(xiàn)出來(lái)的曲面。如果我們一定要把它表現(xiàn)在我們生活的三維空間中，我們只好將就點(diǎn)，把它表現(xiàn)得似乎是自己和自己相交一樣。克萊因瓶的瓶頸是穿過(guò)了第四維空間再和瓶底圈連起來(lái)的，并不穿過(guò)瓶壁。用扭結(jié)來(lái)打比方，如果把它看作平面上的曲線的話，那么它似乎自身相交，再一看似乎又?jǐn)喑闪巳亍５鋵?shí)很容易明白，這個(gè)圖形其實(shí)是三維空間中的曲線。它并不和自己相交，而是連續(xù)不斷的一條曲線。在平面上一條曲線自然做不到這樣，但是如果有第三維的話，它就可以穿過(guò)第三維來(lái)避開和自己相交。只是因?yàn)槲覀円阉嬙诙S平面上時(shí)，只好將就一點(diǎn)，把它畫成相交或者斷裂了的樣子。克萊因瓶也一樣，我們可以把它理解成處于四維空間中的曲面。在我們這個(gè)三維空間中，即使是最高明的能工巧匠，也不得不把它做成自身相交的模樣；就好像最高明的畫家，在紙上畫扭結(jié)的時(shí)候也不得不把它們畫成自身相交的模樣。有趣的是，如果把克萊因瓶沿著它的對(duì)稱線切下去，竟會(huì)得到兩個(gè)莫比烏斯環(huán)。在二維看似穿過(guò)自身的繩子 在二維看似穿過(guò)自身的繩子 如果莫比烏斯帶能夠完美的展現(xiàn)一個(gè)“二維空間中一維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”的話，克萊因瓶只能作為展現(xiàn)一個(gè)“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”的參考。因?yàn)樵谥谱髂葹跛箮У倪^(guò)程中，我們要對(duì)紙帶進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)再首尾相連，這就是一個(gè)三維空間下的操作。理想的“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”應(yīng)該是在二維面中，朝任意方向前進(jìn)都可以回到原點(diǎn)的模型，而克萊因瓶雖然在二維面上可以向任意方向無(wú)限前進(jìn)。但是只有在兩個(gè)特定的方向上才會(huì)回到原點(diǎn)，并且只有在其中一個(gè)方向上，回到原點(diǎn)之前會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)“逆向原點(diǎn)”，真正理想的“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”也應(yīng)該是在二維面上朝任何方向前進(jìn)，都會(huì)先經(jīng)過(guò)一次“逆向原點(diǎn)”，再回到原點(diǎn)。而制作這個(gè)模型，則需要在四維空間上對(duì)三維模型進(jìn)行扭曲。數(shù)學(xué)中有一個(gè)重要分支叫“拓?fù)鋵W(xué)”，主要是研究幾何圖形連續(xù)改變形狀時(shí)的一些特征和規(guī)律的，克萊因瓶和莫比烏斯帶變成了拓?fù)鋵W(xué)中最有趣的問(wèn)題之一。莫比烏斯帶的概念被廣泛地應(yīng)用到了建筑，藝術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)中。三維空間里的克萊因瓶 拓?fù)鋵W(xué)的定義編輯 克萊因瓶定義為正方形區(qū)域 [0,1]×[0,1] 模掉等價(jià)關(guān)系(0,y)~(1,y), 0≤y≤1 和 (x,0)~(1-x,1), 0≤x≤1。類似于 Mobius Band, 克萊因瓶不可定向。但 Mobius 帶可嵌入   ，而克萊因瓶只能嵌入四維（或更高維）空間。莫比烏斯帶編輯 把一條紙帶的一段扭180°，再和另一端粘起來(lái)就得到一條莫比烏斯帶的模型。這也是一個(gè)只有莫比烏斯帶、一個(gè)面的曲面，但是和球面、輪胎面和克萊因瓶不同的是，它有邊（注意，它只有一條邊）。如果我們把兩條莫比烏斯帶沿著它們唯一的邊粘合起來(lái)，你就得到了一個(gè)克萊因瓶 莫比烏斯帶 莫比烏斯帶 （當(dāng)然不要忘了，我們必須在四維空間中才能真正有可能完成這個(gè)粘合，否則的話就不得不把紙撕破一點(diǎn)）。同樣地，如果把一個(gè)克萊因瓶適當(dāng)?shù)丶糸_來(lái)，我們就能得到兩條莫比烏斯帶。除了我們上面看到的克萊因瓶的模樣，還有一種不太為人所知的“8字形”克萊因瓶。它看起來(lái)和上面的曲面完全不同，但是在四維空間中它們其實(shí)就是同一個(gè)曲面－－克萊因瓶。實(shí)際上，可以說(shuō)克萊因瓶是一個(gè)3°的莫比烏斯帶。我們知道，在平面上畫一個(gè)圓，再在圓內(nèi)放一樣?xùn)|西，假如在二度空間中將它拿出來(lái)，就不得不越過(guò)圓周。但在三度空間中，很容易不越過(guò)圓周就將其拿出來(lái)，放到圓外。將物體的軌跡連同原來(lái)的圓投影到二度空間中，就是一個(gè)“二維克萊因瓶”，即莫比烏斯帶（這里的莫比烏斯帶是指拓?fù)湟饬x上的莫比烏斯帶）。再設(shè)想一下，在我們的3°空間中，不可能在不打破蛋殼的前提下從雞蛋中取出蛋黃，但在四度空間里卻可以。將蛋黃的軌跡連同蛋殼投影在三度空間中，必然可以看到一個(gè)克萊因瓶。制造經(jīng)歷編輯 過(guò)去，德國(guó)數(shù)學(xué)家克萊因就曾提出了“不可能”設(shè)想，即拓?fù)鋵W(xué)的大怪物－－克萊因瓶。這種瓶子根本沒(méi)有內(nèi)、外之分，無(wú)論從什么地方穿透曲面，到達(dá)之處依然在瓶的外面，所以，它本質(zhì)上就是一個(gè)“有外無(wú)內(nèi)”的古怪東西。盡管現(xiàn)代玻璃工業(yè)已經(jīng)發(fā)展得非常先進(jìn)，但是，所謂的“克萊因瓶”卻始終是大數(shù)學(xué)家克萊因先生腦子里頭的“虛構(gòu)物”，根本制造不出來(lái)。許多國(guó)家的數(shù)學(xué)家老是想造它一個(gè)出來(lái)，作為獻(xiàn)給國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)的禮物。然而，等待他們的是一個(gè)失敗接著一個(gè)失敗。也有人認(rèn)為，即使造不出玻璃制品，能造出一個(gè)紙模型也不錯(cuò)。如果真的解決了這個(gè)問(wèn)題，那可是個(gè)大收獲！直徑和年齡 最新的研究認(rèn)為宇宙的直徑可920億光年，甚至更大。[28] 目前可觀測(cè)的宇宙年齡大約為138.2億年。[29] 形狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 [30] 目前的宇宙理論認(rèn)為宇宙可能是類似馬鞍狀的負(fù)彎曲形狀，該理論源于宇宙大爆炸理論，整個(gè)宇宙的外形如同一個(gè)吹起的氣球，我們則生活在宇宙的“表面”。[31] 同時(shí)，科學(xué)家也認(rèn)為宇宙是平坦的，根據(jù)美國(guó)宇航局的調(diào)查，宇宙可能是平坦的，2013年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)如果宇宙是平坦的，那么誤差只有0.4%。[32] 斯蒂芬·霍金表示，我們宇宙的形狀可能是一種難以置信的幾何圖形，更接近于超現(xiàn)實(shí)主義的藝術(shù)，如同荷蘭藝術(shù)家摩里茨·科奈里斯·埃舍爾創(chuàng) 銀河系 銀河系 [33] 作的圖形一樣。霍金的想法以弦理論為依據(jù)，而該理論目前仍然還處于假設(shè)之中，并未被驗(yàn)證。如果用語(yǔ)言來(lái)形容宇宙的形狀，應(yīng)該是整體呈現(xiàn)多重鑲嵌模式，具有無(wú)限重復(fù)出現(xiàn)的扭曲面，曲面間環(huán)環(huán)相扣，如同科奈里斯·埃舍爾創(chuàng)作的“圓形極限IV”圖案，也與美國(guó)工程師P.H. Smith創(chuàng)作的“史密斯圓圖”類似，體現(xiàn)出雙曲空間的概念，是一種非歐幾何的空間形態(tài)。[34] 層次結(jié)構(gòu) 當(dāng)代天文學(xué)研究成果表明，宇宙是有層次結(jié)構(gòu)的、 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 [35] 不斷膨脹、物質(zhì)形態(tài)多樣的、不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展的天體系統(tǒng)。行星、小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，構(gòu)成太陽(yáng)系。太陽(yáng)系外也存在其他行星系統(tǒng)。約2500億顆類似太陽(yáng)的恒星和星際物質(zhì)構(gòu)成更巨大的天體系統(tǒng)——銀河系。銀河系的直徑約10萬(wàn)光年，太陽(yáng)位于銀河系的一個(gè)旋臂中，距銀心約2.6萬(wàn)光年。銀河系外還有許多類似的天體系統(tǒng)，稱為河外星系，常簡(jiǎn)稱星系。目前觀測(cè)到1000億個(gè)星系，科學(xué)家估計(jì)宇宙中至少有2萬(wàn)億個(gè)星系。星系聚集成大大小小的集團(tuán)，叫星系團(tuán)。平均而言，每個(gè)星系團(tuán)約有百余個(gè)星系，直徑達(dá)上千萬(wàn)光年。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)上萬(wàn)個(gè)星系團(tuán)。包括銀河系在內(nèi)約40個(gè)星系構(gòu)成的一個(gè)小星系團(tuán)叫本星系群。橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 [36] 若干星系團(tuán)集聚在一起構(gòu)成的更高一層次的天體系統(tǒng)叫超星系團(tuán)。超星系團(tuán)往往具有扁長(zhǎng)的外形，其長(zhǎng)徑可達(dá)數(shù)億光年。通常超星系團(tuán)內(nèi)只含有幾個(gè)星系團(tuán)，只有少數(shù)超星系團(tuán)擁有幾十個(gè)星系團(tuán)。本星系群和其附近的約50個(gè)星系團(tuán)構(gòu)成的超星系團(tuán)叫做本超星系團(tuán)。星系分類 根據(jù)可反映星系發(fā)展?fàn)顟B(tài)的序列號(hào)對(duì)星系進(jìn)行了分類，可以粗略地將星系劃分出橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系等五種。[37] 太陽(yáng)系天體 太陽(yáng)質(zhì)量占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86%，它以自己強(qiáng)大的引力將 NASA公布的太陽(yáng)風(fēng)暴的照片 NASA公布的太陽(yáng)風(fēng)暴的照片 [38] 太陽(yáng)系里的所有天體牢牢地吸引在它的周圍，使它們不離不散、井然有序地繞自己旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，太陽(yáng)又作為一顆普通恒星，帶領(lǐng)它的成員，萬(wàn)古不息地繞銀河系的中心運(yùn)動(dòng)。[39]  太陽(yáng)的半徑為696000千米，質(zhì)量為1.989×10^30kg，中心溫度約15000000 ℃，。[40]  如果一個(gè)人站在太陽(yáng)表面，那么他的體重將會(huì)是在地球上的20倍。[41]  現(xiàn)代星云假說(shuō)根據(jù)觀測(cè)資料和理論計(jì)算，提出：太陽(yáng)系原始星云是巨大的星際云瓦解的一個(gè)小云，一開始就在自轉(zhuǎn)，并在自身引力作用下收縮，中心部分形成太陽(yáng)，外部演化成星云盤，星云盤以后形成行星。目前，現(xiàn)代星云說(shuō)又存在不同學(xué)派，這些學(xué)派之間還存在著許多差別，有待進(jìn)一步研究和證實(shí)。[42] 金星是離太陽(yáng)的第二顆行星，夜空中亮度僅次于月球。[43]  金星上沒(méi)有水，大氣中嚴(yán)重缺氧，二氧化碳占97%以上，空氣中有一層厚達(dá)20千米至30千米的濃硫酸云，地面溫度從不低于400℃，是個(gè)名副其實(shí)的“煉獄”般世界。金星地面的大氣壓強(qiáng)為地球的90倍，相當(dāng)于地球海洋中900米深度時(shí)的壓強(qiáng)。金星大氣主要由二氧化碳等溫室氣體組成，失控的溫室效應(yīng)，是導(dǎo)致金星極端氣候的主要原因。由于金星沒(méi)有內(nèi)稟磁層保護(hù)，誘發(fā)磁層中磁場(chǎng)重聯(lián)釋放的巨大能量，使得金星大氣被加熱后加速逃逸。科學(xué)界認(rèn)為，金星上大氣的逃逸，是造成金星上缺水而被富含二氧化碳的稠密大氣所籠罩，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的溫室效應(yīng)的原因。[44] 木星是離太陽(yáng)第五顆行星，而且是最大的一顆，比所有其他的行星 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） [45] 的合質(zhì)量大2倍（地球的318倍），直徑142987km。它是氣態(tài)行星沒(méi)有實(shí)體表面，由90%的氫和10%的氦（原子數(shù)之比, 75/25%的質(zhì)量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石頭”組成。這與形成整個(gè)太陽(yáng)系的原始的太陽(yáng)系星云的組成十分相似。木星可能有一個(gè)石質(zhì)的內(nèi)核，相當(dāng)于10－15個(gè)地球的質(zhì)量。內(nèi)核上則是大部分的行星物質(zhì)集結(jié)地，以液態(tài)氫的形式存在。液態(tài)金屬氫由離子化的質(zhì)子與電子組成（類似于太陽(yáng)的內(nèi)部，不過(guò)溫度低多了）。木星共有67顆木衛(wèi)。按距離木星中心由近及遠(yuǎn)的次序?yàn)椋耗拘l(wèi)十六、木衛(wèi)十四、木衛(wèi)五、木衛(wèi)十五、木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、木衛(wèi)十三、木衛(wèi)六、木衛(wèi)十、木衛(wèi)七、木衛(wèi)十二、木衛(wèi)十一、木衛(wèi)八和木衛(wèi)九。[46] 水星是最接近太陽(yáng)的行星。水星的半徑約為2440公里，在八大行星中是最小的。水星晝夜溫差極大，白天攝氏 430 度，晚上約可達(dá)零下170 度，是太陽(yáng)系八大行星中溫差最大的一個(gè)行星。[47]  水星的外大氣層非常稀薄，是由水星表面和太陽(yáng)風(fēng)中的原子和離子構(gòu)成。[48]  科學(xué)家確認(rèn)水星表面含有豐富的碳，認(rèn)為碳是水星表面呈黑色的原因，水星表面的巖石是由低重量百分比的石墨碳構(gòu)成。[49] “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 [50] 火星是地球的近鄰，是太陽(yáng)系由內(nèi)往外數(shù)第四顆行星。直徑6794km，體積為地球的15%，質(zhì)量為地球的11%。火星表面是一個(gè)荒涼的世界，空氣中二氧化碳占了95%。火星大氣十分稀薄，密度還不到地球大氣的1%，因而根本無(wú)法保存熱量。這導(dǎo)致火星表面溫度極低，很少超過(guò)0℃，在夜晚，最低溫度則可達(dá)到-123℃。火星被稱為紅色的行星，這是因?yàn)樗砻娌紳M了氧化物，因而呈現(xiàn)出鐵銹紅色。其表面的大部分地區(qū)都是含有大量的紅色氧化物的大沙漠，還有赭色的礫石地和凝固的熔巖流。火星上常常有猛烈的大風(fēng)，大風(fēng)揚(yáng)起沙塵能形成可以覆蓋火星全球的特大型沙塵暴。每次沙塵暴可持續(xù)數(shù)個(gè)星期。火星兩極的冰冠和火星大氣中含有水份。從火星表面獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)證明，在遠(yuǎn)古時(shí)期，火星曾經(jīng)有過(guò)液態(tài)的水，而且水量特別大。[51] 土星是離太陽(yáng)第六顆行星，直徑120536㎞，體積僅次于木星。主要由氫組成，還有少量的氦與微量元素，內(nèi)部的核心包括巖石和冰，外圍由數(shù)層金屬氫和氣體包裹著。地球距離土星13億公里。土星的引力比地球強(qiáng)2.5倍，能夠牽引太陽(yáng)系內(nèi)其它行星，使地球處于一個(gè)橢圓軌道中運(yùn)行，并且與太陽(yáng)保持適當(dāng)距離，適宜生命繁衍。當(dāng)土星軌道傾斜20度將使地球軌道比金星軌道更接近太陽(yáng)，同時(shí)，這將導(dǎo)致火星完全離開太陽(yáng)系。[52]  土星是已知唯一密度小于水的行星，假如能夠?qū)⑼列欠湃胍粋€(gè)巨大的浴池之中，它將可以漂浮起來(lái)。土星有一個(gè)巨大的磁氣圈和一個(gè)狂風(fēng)肆虐的大氣層，赤道附近的風(fēng)速可達(dá)1800千米/時(shí)。在環(huán)繞土星運(yùn)行的31顆衛(wèi)星中間，土衛(wèi)六是最大的一顆，比水星和月球還大，也是太陽(yáng)系中唯一擁有濃厚大氣層的衛(wèi)星。[53] 天王星是離太陽(yáng)第七顆行星，51118km。體積約為地球的65倍，在九大行星中僅次于木星和土星。天王星的大氣層中83%是氫，15%為氦，2%為甲烷以及少量的乙炔和碳?xì)浠衔铩Ｉ蠈哟髿鈱拥募淄槲占t光，使天王星呈現(xiàn)藍(lán)綠色。大氣在固定緯度集結(jié)成云層，類似于木星和土星在緯線上鮮艷的條狀色帶。天王星云層的平均溫度為零下193攝氏度。質(zhì)量為8.6810±13×102?kg，相當(dāng)于地球質(zhì)量的14.63倍。密度較小，只有1.24克/立方厘米，為海王星密度值的74.7%。[54] 恒星 恒星 海王星是離太陽(yáng)的第八顆行星，直徑49532千米。海王星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道半徑為45億千米，公轉(zhuǎn)一周需要165年。海王星的直徑和天王星類似，質(zhì)量比天王星略大一些。海王星和天王星的主要大氣成分都是氫和氦，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也極為相近，所以說(shuō)海王星與天王星是一對(duì)孿生兄弟。[55]  海王星有太陽(yáng)系最強(qiáng)烈的風(fēng)，測(cè)量到的時(shí)速高達(dá)2100公里。海王星云頂?shù)臏囟仁牵?18 °C，是太陽(yáng)系最冷的地區(qū)之一。海王星核心的溫度約為7000 °C，可以和太陽(yáng)的表面比較。海王星在1846年9月23日被發(fā)現(xiàn)，是唯一利用數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)而非有計(jì)劃的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的行星。[56] 冥王星，位于海王星以外的柯伊伯帶內(nèi)側(cè)，是柯伊伯帶中已知的最大天體。[57]  直徑約為2370±20km，是地球直徑的18.5%。[58]  2006年8月24日，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)24日投票決定，不再將傳統(tǒng)九大行星之一的冥王星視為行星，而將其列入“矮行星”。大會(huì)通過(guò)的決議規(guī)定，“行星”指的是圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)、自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀、能夠清除其軌道附近其他物體的天體。在太陽(yáng)系傳統(tǒng)的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合這些要求。冥王星由于其軌道與海王星的軌道相交，不符合新的行星定義，因此被自動(dòng)降級(jí)為“矮行星”。[59]  冥王星的表面溫度大概在-238到-228℃之間。冥王星的成份由70%巖石和30%冰水混合而成的。地表上光亮的部分可能覆蓋著一些固體氮以及少量 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過(guò)地球，可見清晰月球背面 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過(guò)地球，可見清晰月球背面 [60] 的固體甲烷和一氧化碳，冥王星表面的黑暗部分可能是一些基本的有機(jī)物質(zhì)或是由宇宙射線引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)。冥王星的大氣層主要由氮和少量的一氧化碳及甲烷組成。大氣極其稀薄，地面壓強(qiáng)只有少量微帕。[61] 地球是離太陽(yáng)第三顆行星，是我們?nèi)祟惖募亦l(xiāng)，盡管地球是太陽(yáng)系中一顆普通的行星，但它在許多方面都是獨(dú)一無(wú)二的。比如，它是太陽(yáng)系中唯一一顆面積大部分被水覆蓋的行星，也是目前所知唯一一顆有生命存在的星球。質(zhì)量M=5.9742 ×10^24 公斤，表面溫度：t = - 30 ～ +45。[62]  英國(guó)科研人員在《天體生物學(xué)》雜志上報(bào)告說(shuō)，如果沒(méi)有小行星撞擊等可能劇烈改變環(huán)境的事件發(fā)生，地球適宜人類居住的時(shí)間還剩約17.5億年，不過(guò)人為造成的氣候變化可能縮短這一時(shí)間。[63] 彗星是由灰塵和冰塊組成的太陽(yáng)系中的一類小天體，繞日運(yùn)動(dòng)。[64]  科學(xué)家使用探測(cè)器對(duì)彗星的化學(xué)遺留物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要成份為氨、甲烷、硫化氫、氰化氫和甲醛。科學(xué)家得出結(jié)論稱，彗星的氣味聞起來(lái)像是臭雞蛋、馬尿、酒精和苦杏仁的氣味綜合。[65-66] “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 [67] 在太陽(yáng)系的周圍還包裹著一個(gè)龐大的“奧爾特云”。星云內(nèi)分布著不計(jì)其數(shù)的冰塊、雪團(tuán)和碎石。其中的某些會(huì)受太陽(yáng)引力影響飛入內(nèi)太陽(yáng)系，這就是彗星。這些冰塊、雪團(tuán)和碎石進(jìn)入太陽(yáng)系內(nèi)部，其表面因受太陽(yáng)風(fēng)的吹拂而開始揮發(fā)。所以彗星都拖著一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，而且越靠近太陽(yáng)尾巴越長(zhǎng)、越明顯。太陽(yáng)系內(nèi)的星際空間并不是真空的，而是充滿了各種粒子、射線、氣體和塵埃。[68] 柯伊伯帶，是一種理論推測(cè)認(rèn)為短周期彗星是來(lái)自離太陽(yáng)50—500天文單位的一個(gè)環(huán)帶，位于太陽(yáng)系的盡頭。柯伊伯帶是冰質(zhì)殘片組成的巨環(huán)，位于海王星軌道之外，環(huán)繞著太陽(yáng)系的外邊緣。[69] 物質(zhì)多樣性 紅巨星，當(dāng)一顆恒星度過(guò)它漫長(zhǎng)的青壯年期——主序星階段，步入老年期時(shí)，它將首先變?yōu)橐活w紅巨星。稱它為“巨星”，是突出它的體積巨大。在巨星階段，恒星的體積將膨脹到十億倍之多。稱它為“紅”巨星，是因?yàn)樵谶@恒星迅速膨脹的同時(shí)，它的外表面離中心越來(lái)越遠(yuǎn)，所以溫度將隨之而降低，發(fā)出的光也就越來(lái)越偏紅。不過(guò)，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。紅巨星一旦形成，就朝恒星的下一階段白矮星進(jìn)發(fā)。[70] 白矮星，是一種低光度、高密度、高溫度的恒星。因?yàn)轭伾拾咨Ⅲw積比較矮小，因此被命名為白矮星。哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過(guò)程 哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過(guò)程 [71] 白矮星是一種很特殊的天體，它的體積小、亮度低，但質(zhì)量大、密度極高。白矮星是中低質(zhì)量的恒星的演化路線的終點(diǎn)。在紅巨星階段的末期，恒星的中心會(huì)因?yàn)闇囟取毫Σ蛔慊蛘吆司圩冞_(dá)到鐵階段而停止產(chǎn)生能量。恒星外殼的重力會(huì)壓縮恒星產(chǎn)生一個(gè)高密度的天體。一個(gè)典型的穩(wěn)定獨(dú)立白矮星具有大約半個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，比地球略大。這種密度僅次于中子星和夸克星。如果白矮星的質(zhì)量超過(guò)1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對(duì)抗重力，電子會(huì)被壓入原子核而形成中子星。原子是由原子核和電子組成的，原子的質(zhì)量絕大部分集中在原子核上，在巨大的壓力之下，電子將脫離原子核，成自由電子。這種自由電子氣體將盡可能地占據(jù)原子核之間的空隙，從而使單位空間內(nèi)包含的物質(zhì)也將大大增多，密度大大提高了。形象地說(shuō)，這時(shí)原子核是“沉浸于”電子中，常稱之為“簡(jiǎn)并態(tài)”。[72]  大多數(shù)的恒星內(nèi)核通過(guò)氫核聚變進(jìn)行燃燒，將質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚a(chǎn)生光和熱量，當(dāng)恒星內(nèi)部氫燃料完成消耗完后就開始進(jìn)行氦融合反應(yīng)，并形成更重的碳和氧，這一過(guò)程對(duì)于類似太陽(yáng)這樣的恒星而言，就顯得較為短暫，并形成碳氧組成的白矮星，如果其質(zhì)量大于1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，就會(huì)發(fā)生Ia型超新星爆發(fā)。[73] 類星體,20世紀(jì)60年代以來(lái)，天文學(xué)家還找到一種在銀河系以外像恒星一樣表現(xiàn)為一個(gè)光點(diǎn)的天體，但實(shí)際上它的光度和質(zhì)量又和星系一樣，我們叫它類星體，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)這種天體。[74] 超新星，是恒星演化過(guò)程中的一個(gè)階段。超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。一般認(rèn)為質(zhì)量小于9倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的恒星，在經(jīng)歷引力坍縮的過(guò)程后是無(wú)法形成超新星的。[75]  在大質(zhì)量恒星演化到晚期，內(nèi)部不能產(chǎn)生新的能量，巨大的引力將整個(gè)星體迅速向中心坍縮，將中心物質(zhì)都?jí)撼芍凶訝顟B(tài)，形成中子星，而外層下坍的物質(zhì)遇到這堅(jiān)硬的“中子核”反彈引起爆炸。這就成為超新星爆發(fā)，質(zhì)量更大時(shí)，中心更可形成黑洞。[76]  在超新星爆發(fā)的過(guò)程中所釋放的能量，需要我們的太陽(yáng)燃燒900億年才能與之相當(dāng)。[77]  超新星研究有著關(guān)乎人類自身命運(yùn)的深層意義。如果一顆超新星爆發(fā)的位置非常接近地球，目前國(guó)際天文學(xué)界普遍認(rèn)為此距離在100光年以內(nèi)，它就能夠?qū)Φ厍虻纳锶Ξa(chǎn)生明顯的影響，這樣的超新星被稱為近地超新星。有研究認(rèn)為，在地球歷史上的奧陶紀(jì)大滅絕，就是一顆近地超新星引起的，這次滅絕導(dǎo)致當(dāng)時(shí)地球近60%的海洋生物消失。[78]通常認(rèn)為完整的日心說(shuō)宇宙模型是由波蘭天文學(xué)家哥白尼在1543年發(fā)表的《天體運(yùn)行論》中提出的，實(shí)際上在西方公元前300多年的阿里斯塔克和赫拉克里特就已經(jīng)提到過(guò)太陽(yáng)是宇宙的中心，地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。堅(jiān)實(shí)的大地是運(yùn)動(dòng)的這一點(diǎn)在古代是令人非常難以接受的，古代人缺乏足夠的宇宙觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及懷著以人為本的觀念，使他們誤認(rèn)為地球就是宇宙的中心。并且托勒密的地心說(shuō)體系可以很好的和當(dāng)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，因此地心說(shuō)被大眾廣泛接受并被當(dāng)時(shí)的教廷認(rèn)為是神圣不可侵犯的真理的一部分。所以在《天體運(yùn)行論》出版以后的半個(gè)多世紀(jì)里，日心說(shuō)仍然很少受到人們的關(guān)注，支持者更是非常稀少。這其中最為著名的支持者就是喬爾丹諾·布魯諾了。布魯諾一生始終與“異端”聯(lián)系在一起，并為此顛沛流離，最終還被宗教裁判所燒死在鮮花廣場(chǎng)上。他支持哥白尼日心說(shuō)，發(fā)展了“宇宙無(wú)限說(shuō)”，這些在他所處的時(shí)代中，都使其成為了風(fēng)口浪尖上的人物，因而，他常常被人們看作是近代科學(xué)興起的先驅(qū)者、是捍衛(wèi)科學(xué)真理并為此獻(xiàn)身的殉道士。有另一種說(shuō)法認(rèn)為，近代以來(lái)關(guān)于羅馬梵蒂岡的地心說(shuō)和哥白尼的日心說(shuō)的斗爭(zhēng)是被嚴(yán)重夸大的。布魯諾1600年遭受火刑的原因，并非因?yàn)樗С秩招恼f(shuō)，而是因?yàn)樗姆荷裾摗⒍嗌裾摰攘钭诮虗阑鸬淖诮趟枷搿Ｈ欢徽撊绾危剪斨Z確實(shí)對(duì)日心說(shuō)的傳播發(fā)展起到了推動(dòng)作用。事實(shí)上，直到1609年伽利略使用天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一些不利于舊有的亞里士多德宇宙論和托勒密體系從而反過(guò)來(lái)可以支持日心說(shuō)的新的天文現(xiàn)象后，日心說(shuō)才開始引起人們的關(guān)注。這些天文現(xiàn)象主要是指：月球坑坑洼洼并非像古希臘人想象的那般完美，太陽(yáng)存在黑子（從而天界或 “月上界”并非不變），木衛(wèi)體系的發(fā)現(xiàn)直接說(shuō)明了地球不是唯一中心，金星完整相變的發(fā)現(xiàn)也暴露了托勒密體系的錯(cuò)誤。然而，由于哥白尼的日心說(shuō)所得的數(shù)據(jù)和托勒密體系的數(shù)據(jù)都不能與第谷的觀測(cè)相吻合，因此日心說(shuō)此時(shí)仍不具優(yōu)勢(shì)。直至開普勒以橢圓軌道取代圓形軌道修正了日心說(shuō)之后，日心說(shuō)在于地心說(shuō)的競(jìng)爭(zhēng)中才取得了真正的勝利。觀點(diǎn) 哥白尼為闡述自己關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)的基本思想撰寫題為《短論》的論文。他規(guī)定地球有三種運(yùn)動(dòng)：一種是繞地軸的周日自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ；一種是環(huán)繞太陽(yáng)的周年運(yùn)動(dòng)；一種是用以使得被認(rèn)為鑲嵌在天球上的地球在繞日公轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠保持地軸的指向不變的地軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。哥白尼在他的《天體運(yùn)行論》一書中認(rèn)為天體運(yùn)動(dòng)必須滿足以下七點(diǎn)：不存在一個(gè)所有天體軌道或天體的共同的中心；地球只是月球軌道的中心，并不是宇宙的中心；所有天體都繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，宇宙的中心在太陽(yáng)附近；地球到太陽(yáng)的距離同天穹高度之比是微不足道的；在天空中看到的任何運(yùn)動(dòng)，都是地球運(yùn)動(dòng)引起的；日心說(shuō) 日心說(shuō) 人們看到的行星向前和向后運(yùn)動(dòng)，是由于地球運(yùn)動(dòng)引起的。地球的運(yùn)動(dòng)足以解釋人們?cè)诳罩幸姷降母鞣N現(xiàn)象；哥白尼用以支持他的學(xué)說(shuō)的論據(jù)，主要屬于數(shù)學(xué)性質(zhì)。他認(rèn)為一個(gè)科學(xué)學(xué)說(shuō)是從某些假說(shuō)引申出來(lái)的一組觀念。他認(rèn)為真正的假說(shuō)或者定理必須能夠做到下面兩件事情：它們必須能夠說(shuō)明天體所觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)。它們必須不能違背畢達(dá)哥拉斯關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)是圓周的和均勻的論斷。當(dāng)時(shí)有許多反對(duì)的觀點(diǎn)，但是哥白尼用當(dāng)時(shí)的知識(shí)進(jìn)行了反駁。反對(duì)理由：如果地球在轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣就會(huì)落在后面，而形成一股持久的東風(fēng)。哥白尼答復(fù)：空氣含有土微粒，和土地是同一性質(zhì)，因此逼得空氣要跟著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。空氣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沒(méi)有阻力是因?yàn)榭諝夂筒粩噢D(zhuǎn)動(dòng)的地球是連接著的。反對(duì)理由：一塊石子向上拋去，就會(huì)被地球的轉(zhuǎn)動(dòng)拋在后面，而落在拋擲點(diǎn)的西面。哥白尼答復(fù)：由于受到本身重量壓力的物體主要屬于泥土性質(zhì)，所以各個(gè)部分毫無(wú)疑問(wèn)和它們的整體保持同樣的性質(zhì)。反對(duì)理由：如果地球轉(zhuǎn)動(dòng)，它就會(huì)因離心力的作用變得土崩瓦解。如果地球不轉(zhuǎn)動(dòng)，那么像恒星那些更龐大的星球就必須以極大的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，這一來(lái)恒星就很容易被離心力拉得粉碎。哥白尼答復(fù)：離心力只在非天然的人為運(yùn)動(dòng)中找得到，而在天然的運(yùn)動(dòng)中，如地球和天體的運(yùn)動(dòng)中，則是找不到的。[2] 地心說(shuō) 地心說(shuō) 地心說(shuō) 地心說(shuō)是長(zhǎng)期盛行于古代歐洲的宇宙學(xué)說(shuō)。它最初由古希臘學(xué)者歐多克斯（提出“同心球”模型）提出，后經(jīng)亞里士多德、托勒密進(jìn)一步發(fā)展而逐漸建立和完善起來(lái)。托勒密認(rèn)為，地球處于宇宙中心靜止不動(dòng)。從地球向外，依次有月球、水星、金星、太陽(yáng)、火星、木星和土星，在各自的圓軌道上繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，行星的運(yùn)動(dòng)要比太陽(yáng)、月球復(fù)雜些：行星在本輪上運(yùn)動(dòng)，而本輪又沿均輪繞地運(yùn)行。在太陽(yáng)、月球行星之外，是鑲嵌著所有恒星的天球——恒星天。再外面，是推動(dòng)天體運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)天。地心說(shuō)是世界上第一個(gè)行星體系模型。盡管它把地球當(dāng)作宇宙中心是錯(cuò)誤的，然而它的歷史功績(jī)不應(yīng)抹殺。地心說(shuō)承認(rèn)地球是“球形”的，并把行星從恒星中區(qū)別出來(lái)，著眼于探索和揭示行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這標(biāo)志著人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的一大進(jìn)步。地心說(shuō)最重要的成就是運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算行星的運(yùn)行，托勒密還第一次提出“運(yùn)行軌道”的概念，設(shè)計(jì)出了一個(gè)本輪均輪模型。按照這個(gè)模型，人們能夠?qū)π行堑倪\(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量計(jì)算，推測(cè)行星所在的位置，這是一個(gè)了不起的創(chuàng)造。在一定時(shí)期里，依據(jù)這個(gè)模型可以在一定程度上正確地預(yù)測(cè)天象，因而在生產(chǎn)實(shí)踐中也起過(guò)一定的作用。地心說(shuō)中的本輪均輪模型，畢竟是托勒密根據(jù)有限的觀察資料拼湊出來(lái)的，他是通過(guò)人為地規(guī)定本輪、均輪的大小及行星運(yùn)行速度，才使這個(gè)模型和實(shí)測(cè)結(jié)果取得一致。但是，到了中世紀(jì)后期，隨著觀察儀器的不斷改進(jìn)，行星位置和運(yùn)動(dòng)的測(cè)量越來(lái)越精確，觀測(cè)到的行星實(shí)際位置同這個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果的偏差，就逐漸顯露出來(lái)了。但是，信奉地心說(shuō)的人們并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這是由于地心說(shuō)本身的錯(cuò)誤造成的，卻用增加本輪的辦法來(lái)補(bǔ)救地心說(shuō)。當(dāng)初這種辦法還能勉強(qiáng)應(yīng)付，后來(lái)小本輪增加到80多個(gè)，但仍不能滿意地計(jì)算出行星的準(zhǔn)確位置。這不能不使人懷疑地心說(shuō)的正確性了。到了16世紀(jì)，哥白尼在持日心地動(dòng)觀的古希臘先輩和同時(shí)代學(xué)者的基礎(chǔ)上，終于創(chuàng)立了“日心說(shuō)”。從此，地心說(shuō)便逐漸被淘汰了。簡(jiǎn)單的說(shuō),“地心說(shuō)”就是以地球?yàn)橛钪娴闹行?“日心說(shuō)”是以太陽(yáng)為宇宙的中心。創(chuàng)立編輯 哥白尼提出 1499年，哥白尼畢業(yè)于意大利的博洛尼亞大學(xué)，任天主教教士。他回到波蘭跟叔父一起工作。其叔父，瓦茨 日心說(shuō) 日心說(shuō) 恩羅德，是費(fèi)瑯堡天主教大教堂的主教。哥白尼當(dāng)時(shí)住在教堂的頂樓，因此可以長(zhǎng)期進(jìn)行天文觀測(cè)。那個(gè)時(shí)候，人們相信的是1500多年前希臘科學(xué)家托勒密創(chuàng)立的宇宙模式。托勒密認(rèn)為地球是宇宙的中心且靜止不動(dòng)，日、月、行星和恒星均圍繞地球運(yùn)動(dòng)，而恒星遠(yuǎn)離地球，位于太空這個(gè)巨型球體之外。然而，經(jīng)仔細(xì)觀測(cè)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)行規(guī)律與托勒密的宇宙模式不吻合。一些科學(xué)家修正了托勒密的宇宙軌道學(xué)說(shuō)，在原有的軌道（或稱小天體軌道）上又增加了更多的天體運(yùn)行軌道。這一模式稱每顆行星都沿著一個(gè)小軌道作圓周運(yùn)行，而小軌道又沿著該行星的大軌道繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)。幾百年之后，這一模式的漏洞越來(lái)越明顯。科學(xué)家們又在這個(gè)模式上增加了許多軌道，行星就這樣沿著一道又一道的軌道作圓周運(yùn)動(dòng)。哥白尼想用“現(xiàn)代”（16世紀(jì)的）技術(shù)來(lái)改進(jìn)托勒密的測(cè)量結(jié)果，以期取消一些小軌道。在長(zhǎng)達(dá)近20年的時(shí)間里，哥白尼不辭辛勞日夜測(cè)量行星的位置，但其測(cè)量獲得的結(jié)果仍然與托勒密的天體運(yùn)行模式?jīng)]有多少差別。哥白尼想知道在另一個(gè)運(yùn)行著的行星上觀察這些行星的運(yùn)行情況會(huì)是什么樣的。基于這種設(shè)想，哥白尼萌發(fā)了一個(gè)念頭：假如地球在運(yùn)行中，那么這些行星的運(yùn)行看上去會(huì)是什么情況呢？這一設(shè)想在他腦海里變得清晰起來(lái)了。一年里，哥白尼在不同的時(shí)間、不同的距離從地球上觀察行星，每一個(gè)行星的情況都不相同，這是他意識(shí)到地球不可能位于星星軌道的中心。經(jīng)過(guò)20年的觀測(cè)，哥白尼發(fā)現(xiàn)唯獨(dú)太陽(yáng)的周年變化不明顯。這意味著地球和太陽(yáng)的距離始終沒(méi)有改變。如果地球不是宇宙的中心，那么宇宙的中心就是太陽(yáng)。他立刻想到如果把太陽(yáng)放在宇宙的中心位置，那么地球就該繞著太陽(yáng)運(yùn)行。這樣他就可以取消所有的小圓軌道模式，直接讓所有的已知行星圍繞太陽(yáng)作圓周運(yùn)動(dòng)。然而，人們是否能接受哥白尼提出的新的宇宙模式呢？全世界的人——尤其是權(quán)力極大的天主教會(huì)是否相信太陽(yáng)是宇宙中心這一說(shuō)法呢？由于害怕教會(huì)的懲罰，哥白尼在世時(shí)不敢公開他的發(fā)現(xiàn)。1543年，這一發(fā)現(xiàn)才公諸天下。即使在那個(gè)時(shí)候，哥白尼的發(fā)現(xiàn)還不斷受到教會(huì)、大學(xué)等機(jī)構(gòu)與天文學(xué)家的蔑視和嘲笑。終于，在60年后，約翰尼斯·開普勒和伽利略·伽利雷證明了哥白尼是正確的。[3] 阿里斯塔克斯提倡 阿里斯塔克斯（Aristarchus, 約公元前 310年- 約公元前230年），是人類歷史上有記載的首位提倡日心說(shuō)的天文學(xué)者，是古希臘時(shí)期、也是人類歷史上有記載的最偉大的天文學(xué)家，數(shù)學(xué)家。他生于古希臘薩摩斯島。他將太陽(yáng)而不是地球放置在整個(gè)已知宇宙的中心，他是人類歴史上有記載的最早期的日心說(shuō)的提倡者之一。但是在當(dāng)時(shí)的古希臘、他的宇宙觀和杰出的智慧并未能被當(dāng)時(shí)的人們所理解，并被亞里士多德和托勒密的才華之光芒所掩蓋，直到16世紀(jì)（約1760年以后），哥白尼才很好地發(fā)展和完善了阿里斯塔克斯的宇宙觀和理論。古希臘天文學(xué)晚期最著名的是亞歷山大學(xué)派，阿里斯塔克斯是這一學(xué)派早期的代表人物。他的大部分著作至今已失傳，流傳至今的唯一著作，就是關(guān)于太陽(yáng)和月球的體積以及到地球的距離的論著，但是，通過(guò)其他人的引證，可以知道他還寫了另一本書，在書中他發(fā)展了一個(gè)變通的日心說(shuō)的模型。在該文中，他敘述了從日食、月食中月球和地球的陰影比例大小，推測(cè)出太陽(yáng)實(shí)際上比地球大得多、月球比地球小。又由月球在上弦和下弦間的夾角，推測(cè)出太陽(yáng)距離地球是月球距離地球的十倍。阿里斯塔克斯認(rèn)為太陽(yáng)，月球和地球在每個(gè)月的首個(gè)或最后的四分之一時(shí)期內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)近似的直角三角形。他估計(jì)最大角約為87°。盡管他應(yīng)用的幾何理論沒(méi)有錯(cuò)，但由于觀測(cè)數(shù)據(jù)有偏差，他得出了日地距離是月地距離的20倍的結(jié)論。事實(shí)上，前者是后者的390倍。阿里斯塔克斯指出，月球和太陽(yáng)有幾乎相同的視角，因此他們的直徑與他們到地球的距離是成正比的。這符合邏輯。阿里斯塔克斯指出了太陽(yáng)明顯大于地球，恰恰可以用來(lái)證明日心說(shuō)模型。阿里斯塔克斯觀察到月球穿過(guò)地球的陰影需要一個(gè)恒星月的時(shí)間。因此他估計(jì)到地球的直徑是月球的三倍。根據(jù)埃拉托色尼所計(jì)算的42000公里的地球周長(zhǎng)，他認(rèn)為月球的周長(zhǎng)應(yīng)為14000公里。事實(shí)上，月球的周長(zhǎng)約為10916公里。阿里斯塔克斯還認(rèn)為一個(gè)大的東西不應(yīng)該繞小的東西轉(zhuǎn)動(dòng)，于是他提出了“日心地動(dòng)說(shuō)”（可惜未被當(dāng)代人接受）。他認(rèn)為地球一方面每天自西向東轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)致天體的東升西落景象。另一方面它又在一年中繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周，水、金、火、木、土等行星也是一樣繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。他還認(rèn)為與地球繞日公轉(zhuǎn)的軌道直徑相比，恒星幾乎在無(wú)限遠(yuǎn)處。因此無(wú)法看到由于地球公轉(zhuǎn)而造成的恒星視差現(xiàn)象。關(guān)于阿里斯塔克斯的日心說(shuō) 阿里斯塔克斯提出日心論的論文已經(jīng)遺失。我們之所以知道它的存在，是因?yàn)橐恍┖蟠鷮W(xué)者曾經(jīng)提起，其中最著名的是阿基米德與普魯塔克（Plutarch）。阿基米德指出阿里斯塔克斯日心宇宙模型的重點(diǎn)為：* 太陽(yáng)與固定的恒星不會(huì)運(yùn)動(dòng)。* 地球繞太陽(yáng)運(yùn)行。* 地球的軌道為圓形。* 太陽(yáng)位于該圓的中心。* 固定的恒星距離太陽(yáng)與地球極為遙遠(yuǎn)。羅馬歷史學(xué)家普魯塔克在兩個(gè)世紀(jì)之后，于論述中提供了更多的細(xì)節(jié)。他告訴我們，阿里斯塔克斯認(rèn)為是由于地球每日一周地旋轉(zhuǎn)，給予我們天空繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的印象。因此，阿里斯塔克顯然了解地球是球體，而天空看起來(lái)像在旋轉(zhuǎn)，其實(shí)是地球每日的旋轉(zhuǎn)所造成的。這或許可以解釋為什么一般會(huì)認(rèn)為他是新型天文儀器skaphe的發(fā)明者，skaphe是一種碗狀日晷，與源自巴比倫人的平面日晷（gnomons）不同，skaphe可正確地追蹤太陽(yáng)在天空中移動(dòng)的路徑。普魯塔克也告訴我們，阿里斯塔克教導(dǎo)地球沿著“太陽(yáng)圓周”運(yùn)行的觀念，此即為太陽(yáng)黃道（ecliptic）的觀念。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，阿里斯塔克斯在把地球視為行星后，也將其他行星放到環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道上。阿里斯塔克斯知道他的模型將大幅增加宇宙的大小。若地球并未移動(dòng)，那恒星就可能落在太陽(yáng)、月球與行星之外。但若地球沿巨大的圓周繞太陽(yáng)移動(dòng)，它有時(shí)會(huì)比較靠近某些恒星，有時(shí)又會(huì)離它們較遠(yuǎn)。除非恒星距離地球極遠(yuǎn)，否則在地球靠近或遠(yuǎn)離恒星群時(shí)，它們看起來(lái)應(yīng)該會(huì)擴(kuò)大或縮小。但是由于并未發(fā)生這種現(xiàn)象，因此地球必然是在極大的宇宙中不斷運(yùn)動(dòng)。不幸的是，阿里斯塔克斯的宇宙觀和理論，當(dāng)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在時(shí)代的前面，因而得不到一般公眾的承認(rèn)，克雷安德斯竟要求希臘人控告阿里斯塔克斯的瀆神之罪。之后阿里斯塔克斯的思想學(xué)說(shuō)就像珍貴的戒指被扔入大海般消失無(wú)蹤。直到哥白尼的出現(xiàn)。伽利略的論證 伽利略是通過(guò)數(shù)學(xué)邏輯相信哥白尼。這一點(diǎn)與布魯諾沒(méi)有區(qū)別。同時(shí)，伽利略發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡，一定程度證明了哥白尼的正確。但是，在羅馬宗教事務(wù)所組織的學(xué)術(shù)討論中，伽利略沒(méi)有戰(zhàn)勝自己的對(duì)手，導(dǎo)致了最后的悲劇：當(dāng)時(shí)“地球繞太陽(yáng)”和“太陽(yáng)繞地球”都有科學(xué)證據(jù)，而伽利略學(xué)說(shuō)的破綻之一，是科學(xué)家探測(cè)不到“斗轉(zhuǎn)星移”（Stellar Parallax）的現(xiàn)象。什么是斗轉(zhuǎn)星移呢？這名堂十分嚇人，其實(shí)意思很簡(jiǎn)單。如圖一顯示，假設(shè)星星 A 和星星 B 懸浮在太空中，我在地球表面之觀察點(diǎn) 1 仰望星星 A 和星星 B 時(shí)，它們的距離好像十分接近，如果地球自轉(zhuǎn)，即使我站在原地不動(dòng)，我將會(huì)隨著地球移動(dòng)而去了觀察點(diǎn) 2 ，由觀察點(diǎn) 2 看同樣兩顆星星，它們的相對(duì)位置便會(huì)改變，由角度 Y 比角度 X 大就可以知道。換言之，如果發(fā)現(xiàn)有斗轉(zhuǎn)星移的現(xiàn)象，那么地球轉(zhuǎn)動(dòng)就可以成立；假若沒(méi)有斗轉(zhuǎn)星移，地球應(yīng)該是在固定地方。十六世紀(jì)時(shí)天文學(xué)家泰高．巴希（Tycho Brahe）以當(dāng)時(shí)最精密的儀器，去探測(cè)是否有“斗轉(zhuǎn)星移”，可是看來(lái)群星的相對(duì)位置和距離好像沒(méi)有改變，因此地球轉(zhuǎn)動(dòng)之說(shuō)不被接納。但是，伽利略指導(dǎo)數(shù)學(xué)原則的價(jià)值。他始終相信日心說(shuō)。意義編輯 地心說(shuō)的錯(cuò)誤 哥白尼的“日心說(shuō)”發(fā)表之前，“地心說(shuō)”在中世紀(jì)的歐洲一直居于統(tǒng)治地位。自古以來(lái)，人類就對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)不斷地進(jìn)行著思考，早在古希臘時(shí)代就有哲學(xué)家提出了地球在運(yùn)動(dòng)的主張，只是當(dāng)時(shí)缺乏依據(jù)，因此沒(méi)有得到人們的認(rèn)可。在古代歐洲，亞里士多德和托勒密主張“地心說(shuō)”，認(rèn)為地球是靜止不動(dòng)的，其他的星體都圍著地球這一宇宙中心旋轉(zhuǎn)。這個(gè)學(xué)說(shuō)的提出與基督教《圣經(jīng)》中關(guān)于天堂、人間、地獄的說(shuō)法剛好互相吻合，處于統(tǒng)治地位的教廷便竭力支持地心學(xué)說(shuō)，把“地心說(shuō)”和上帝創(chuàng)造世界融為一體，用來(lái)愚弄人們，維護(hù)自己的統(tǒng)治。因而“地心學(xué)”說(shuō)被教會(huì)奉為和《圣經(jīng)》一樣的經(jīng)典，長(zhǎng)期居于統(tǒng)治地位。隨著事物的不斷發(fā)展，天文觀測(cè)的精確度漸漸提高，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了地心學(xué)說(shuō)的破綻。到文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)時(shí)期，人們發(fā)現(xiàn)托勒密所提出的均輪和本輪的數(shù)目竟多達(dá)八十個(gè)左右，這顯然是不合理、不科學(xué)的。人們期待著能有一種科學(xué)的天體系統(tǒng)取代地心說(shuō)。在這種歷史背景下，哥白尼的地動(dòng)學(xué)說(shuō)應(yīng)運(yùn)而生了。約在1515年前，哥白尼為闡述自己關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)的基本思想撰寫了篇題為《淺說(shuō)》的論文，他認(rèn)為天體運(yùn)動(dòng)必須滿足以下七點(diǎn)：不存在一個(gè)所有天體軌道或天體的共同的中心；地球只是引力中心和月球軌道的中心，并不是宇宙的中心；所有天體都繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，宇宙的中心在太陽(yáng)附近；地球到太陽(yáng)的距離同天穹高度之比是微不足道的；在天空中看到的任何運(yùn)動(dòng)，都是地球運(yùn)動(dòng)引起的，在空中看到的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的一切現(xiàn)象，都不是它本身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，而是地球運(yùn)動(dòng)引起的，地球同時(shí)進(jìn)行著幾種運(yùn)動(dòng)；人們看到的行星向前和向后運(yùn)動(dòng)， 日心說(shuō) 日心說(shuō) 是由于地球運(yùn)動(dòng)引起的。地球的運(yùn)動(dòng)足以解釋人們?cè)诳罩幸姷降母鞣N現(xiàn)象了。此外，哥白尼還描述了太陽(yáng)、月球、三顆外行星(土星、木星和火星)和兩顆內(nèi)行星(金星、水星)的視運(yùn)動(dòng)。書中，哥白尼批判了托勒密的理論，科學(xué)地闡明了天體運(yùn)行的現(xiàn)象，推翻了長(zhǎng)期以來(lái)居于統(tǒng)治地位的地心說(shuō)，并從根本上否定了基督教關(guān)于上帝創(chuàng)造一切的謬論，從而實(shí)現(xiàn)了天文學(xué)中的根本變革。他正確地論述了地球繞其軸心運(yùn)轉(zhuǎn)、月亮繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)、地球和其他所有行星都繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的事實(shí)。但是他也和前人一樣嚴(yán)重低估了太陽(yáng)系的規(guī)模。他認(rèn)為星體運(yùn)行的軌道是一系列的同心圓，這當(dāng)然是錯(cuò)誤的。他的學(xué)說(shuō)里的數(shù)學(xué)運(yùn)算很復(fù)雜也很不準(zhǔn)確。但是他的書立即引起了極大的關(guān)注，驅(qū)使一些其他天文學(xué)家對(duì)行星運(yùn)動(dòng)作更為準(zhǔn)確的觀察，其中最著名的是丹麥偉大的天文學(xué)家泰壽·勃萊荷，開普勒就是根據(jù)泰壽積累的觀察資料，最終推導(dǎo)出了星體運(yùn)行的正確規(guī)律。這是一個(gè)前所未聞的開創(chuàng)新紀(jì)元的學(xué)說(shuō)，對(duì)于千百年來(lái)學(xué)界奉為定論的托勒密地球中心說(shuō)無(wú)疑是當(dāng)頭一棒。雖然阿里斯塔克斯比哥白尼提出日心學(xué)說(shuō)早1700多年，但是事實(shí)上哥白尼得到了這一盛譽(yù)。阿里斯塔克斯只是憑借靈感做了一個(gè)猜想，并沒(méi)有加以詳細(xì)的討論，因而他的學(xué)說(shuō)在科學(xué)上毫無(wú)用處。哥白尼逐個(gè)解決了猜想中的數(shù)學(xué)問(wèn)題后，就把它變成了有用的科學(xué)學(xué)說(shuō)──一種可以用來(lái)做預(yù)測(cè)的學(xué)說(shuō)，通過(guò)對(duì)天體觀察結(jié)果的檢驗(yàn)并與地球是宇宙中心的舊學(xué)說(shuō)的比較，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的重大意義。顯然哥白尼的學(xué)說(shuō)是人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的革命，它使人們的整個(gè)世界觀都發(fā)生了重大變化。但是在估價(jià)哥白尼的影響時(shí)，我們還應(yīng)該注意到，天文學(xué)的應(yīng)用范圍不如物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)那樣廣泛。從理論上來(lái)講，人們即使對(duì)哥白尼學(xué)說(shuō)的知識(shí)和應(yīng)用一竅不通，也會(huì)造出電視機(jī)、汽車和現(xiàn)代化學(xué)廠之類的東西。但是不應(yīng)用法拉第、麥克斯韋、拉瓦錫和牛頓的學(xué)說(shuō)則是不可想象的。僅僅考慮哥白尼學(xué)說(shuō)對(duì)技術(shù)的影響就會(huì)完全忽略它的真正意義。哥白尼的書對(duì)伽利略和開普勒的工作是一個(gè)不可缺少的序幕。他倆又成了牛頓的主要前輩。是這兩者的發(fā)現(xiàn)才使牛頓有能力確定運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律。哥白尼的日心宇宙體系既然是時(shí)代的產(chǎn)物，它就不能不受到時(shí)代的限制。反對(duì)神學(xué)的不徹底性，同時(shí)表現(xiàn)在哥白尼的某些觀點(diǎn)上，他的體系是存在缺陷的。哥白尼所指的宇宙是局限在一個(gè)小的范圍內(nèi)的，具體來(lái)說(shuō)，他的宇宙結(jié)構(gòu)就是今天我們所熟知的太陽(yáng)系，即以太陽(yáng)為中心的天體系統(tǒng)。宇宙既然有它的中心，就必須有它的邊界，哥白尼雖然否定了托勒玫的“九重天”，但他卻保留了一層恒星天，盡管他回避了宇宙是否有限這個(gè)問(wèn)題，但實(shí)際上他是相信恒星天球是宇宙的“外殼”，他仍然相信天體只能按照所謂完美的圓形軌道運(yùn)動(dòng)，所以哥白尼的宇宙體系，仍然包含著不動(dòng)的中心天體。但是作為近代自然科學(xué)的奠基人，哥白尼的歷史功績(jī)是偉大的。確認(rèn)地球不是宇宙的中心，而是行星之一，從而掀起了一場(chǎng)天文學(xué)上根本性的革命，是人類探求客觀真理道路上的里程碑。哥白尼的偉大成就，不僅鋪平了通向近代天文學(xué)的道路，而且開創(chuàng)了整個(gè)自然界科學(xué)向前邁進(jìn)的新時(shí)代。從哥白尼時(shí)代起，脫離教會(huì)束縛的自然科學(xué)和哲學(xué)開始獲得飛躍的發(fā)展。哥白尼的科學(xué)成就，是他所處時(shí)代的產(chǎn)物，又轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)推動(dòng)了時(shí)代的發(fā)展。順應(yīng)時(shí)代變化 十五、六世紀(jì)的歐洲，正是從封建社會(huì)向資本主義社會(huì)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，在這一二百年間，社會(huì)發(fā)生了巨大的變化。14世紀(jì)以前的歐洲，到處是四分五裂的小城邦。后來(lái)，隨著城市工商業(yè)的興起，特別是采礦和冶金業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多新興的大城市，小城邦有了聯(lián)合起來(lái)組成國(guó)家的趨勢(shì)。到 15世紀(jì)末葉，在許多國(guó)家里都出現(xiàn)了基本上是中央集權(quán)的君主政體。當(dāng)時(shí)的波蘭不僅有像克拉科夫、波茲南這樣的大城市，也有許多手工業(yè)興盛的城市。1526年歸并于波蘭的華沙已成為一個(gè)重要的商業(yè)、政治、文化和地理的中心，在16世紀(jì)末成了波蘭國(guó)家的首都。與這種政治經(jīng)濟(jì)變革相適應(yīng)，文化、科學(xué)上也開始有所反映。當(dāng)時(shí)，歐洲是“政教合一”，羅馬教廷控制了許多國(guó)家，圣經(jīng)被宣布為至高無(wú)上的真理，凡是違背圣經(jīng)的學(xué)說(shuō)，都被斥為“異端邪說(shuō)”，凡是反對(duì)神權(quán)統(tǒng)治的人，都被處以火刑。新興的資產(chǎn)階級(jí)為自己的生存和發(fā)展，掀起了一場(chǎng)反對(duì)封建制度和教會(huì)迷信思想的斗爭(zhēng)，出現(xiàn)了人文主義的思潮。他們使用的戰(zhàn)斗武器，就是未被神學(xué)染污的古希臘的哲學(xué)、科學(xué)和文藝。這就是震撼歐洲的文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)。文藝復(fù)興首先發(fā)生于意大利，很快就擴(kuò)大到波蘭及歐洲其他國(guó)家。與此同時(shí)，商業(yè)的活躍也促進(jìn)了對(duì)外貿(mào)易的發(fā)展。在“黃金”這個(gè)符咒的驅(qū)使下，許多歐洲冒險(xiǎn)者遠(yuǎn)航非洲、印度及整個(gè)遠(yuǎn)東地區(qū)。遠(yuǎn)洋航行需要豐富的天文和地理知識(shí)，從實(shí)際中積累起來(lái)的觀測(cè)資料，使人們感到當(dāng)時(shí)流行的“地靜天動(dòng)”的宇宙學(xué)說(shuō)值得懷疑，這就要求人們進(jìn)一步去探索宇宙的秘密，從而推進(jìn)了天文學(xué)和地理學(xué)的發(fā)展。1492年，意大利著名的航海家哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，麥哲倫和他的同伴繞地球一周，證明地球是圓形的，使人們開始真正認(rèn)識(shí)地球。[4] 對(duì)他國(guó)的影響 在教會(huì)嚴(yán)密控制下的中世紀(jì)，也發(fā)生過(guò)轟轟烈烈的宗教革命。因?yàn)樘熘鹘痰暮芏嘟塘x不符合圣經(jīng)的教誨，而加入了太多教皇的個(gè)人意志以及各類神學(xué)家的自身成果，所以很多信徒開始質(zhì)疑天主教的教義和組織，發(fā)起回歸圣經(jīng)的行動(dòng)來(lái)。捷克的愛(ài)國(guó)主義者、布拉格大學(xué)校長(zhǎng)揚(yáng)·胡斯（1369～1415年）在君士坦丁堡的宗教會(huì)議上公開譴責(zé)德意志封建主與天主教會(huì)對(duì)捷克的壓迫和剝削。他雖然被反動(dòng)教會(huì)處以火刑，但他的革命活動(dòng)在社會(huì)上引起了強(qiáng)烈的反應(yīng)。捷克農(nóng)民在胡斯黨人的旗幟下舉行起義，這次運(yùn)動(dòng)也波及波蘭。1517年，在德國(guó)，馬丁·路德（1483～1546年）反對(duì)教會(huì)販賣贖罪符，與羅馬教皇公開決裂。1521年，路德又在沃爾姆國(guó)會(huì)上揭露羅馬教廷的罪惡，并提出建立基督教新教的主張。新教的教義得到許多國(guó)家的支持，波蘭也深受影響。

克萊因瓶是一個(gè)不可定向的二維緊流形，而球面或輪胎面是可 克萊因瓶 克萊因瓶 定向的二維緊流形。如果觀察克萊因瓶，有一點(diǎn)似乎令人困惑－－克萊因瓶的瓶頸和瓶身是相交的，換句話說(shuō)，瓶頸上的某些點(diǎn)和瓶壁上的某些點(diǎn)占據(jù)了三維空間中的同一個(gè)位置。我們可以把克萊因瓶放在四維空間中理解：克萊因瓶是一個(gè)在四維空間中才可能真正表現(xiàn)出來(lái)的曲面。如果我們一定要把它表現(xiàn)在我們生活的三維空間中，我們只好將就點(diǎn)，把它表現(xiàn)得似乎是自己和自己相交一樣。克萊因瓶的瓶頸是穿過(guò)了第四維空間再和瓶底圈連起來(lái)的，并不穿過(guò)瓶壁。用扭結(jié)來(lái)打比方，如果把它看作平面上的曲線的話，那么它似乎自身相交，再一看似乎又?jǐn)喑闪巳亍５鋵?shí)很容易明白，這個(gè)圖形其實(shí)是三維空間中的曲線。它并不和自己相交，而是連續(xù)不斷的一條曲線。在平面上一條曲線自然做不到這樣，但是如果有第三維的話，它就可以穿過(guò)第三維來(lái)避開和自己相交。只是因?yàn)槲覀円阉嬙诙S平面上時(shí)，只好將就一點(diǎn)，把它畫成相交或者斷裂了的樣子。克萊因瓶也一樣，我們可以把它理解成處于四維空間中的曲面。在我們這個(gè)三維空間中，即使是最高明的能工巧匠，也不得不把它做成自身相交的模樣；就好像最高明的畫家，在紙上畫扭結(jié)的時(shí)候也不得不把它們畫成自身相交的模樣。有趣的是，如果把克萊因瓶沿著它的對(duì)稱線切下去，竟會(huì)得到兩個(gè)莫比烏斯環(huán)。在二維看似穿過(guò)自身的繩子 在二維看似穿過(guò)自身的繩子 如果莫比烏斯帶能夠完美的展現(xiàn)一個(gè)“二維空間中一維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”的話，克萊因瓶只能作為展現(xiàn)一個(gè)“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”的參考。因?yàn)樵谥谱髂葹跛箮У倪^(guò)程中，我們要對(duì)紙帶進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)再首尾相連，這就是一個(gè)三維空間下的操作。理想的“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”應(yīng)該是在二維面中，朝任意方向前進(jìn)都可以回到原點(diǎn)的模型，而克萊因瓶雖然在二維面上可以向任意方向無(wú)限前進(jìn)。但是只有在兩個(gè)特定的方向上才會(huì)回到原點(diǎn)，并且只有在其中一個(gè)方向上，回到原點(diǎn)之前會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)“逆向原點(diǎn)”，真正理想的“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”也應(yīng)該是在二維面上朝任何方向前進(jìn)，都會(huì)先經(jīng)過(guò)一次“逆向原點(diǎn)”，再回到原點(diǎn)。而制作這個(gè)模型，則需要在四維空間上對(duì)三維模型進(jìn)行扭曲。數(shù)學(xué)中有一個(gè)重要分支叫“拓?fù)鋵W(xué)”，主要是研究幾何圖形連續(xù)改變形狀時(shí)的一些特征和規(guī)律的，克萊因瓶和莫比烏斯帶變成了拓?fù)鋵W(xué)中最有趣的問(wèn)題之一。莫比烏斯帶的概念被廣泛地應(yīng)用到了建筑，藝術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)中。三維空間里的克萊因瓶 拓?fù)鋵W(xué)的定義編輯 克萊因瓶定義為正方形區(qū)域 [0,1]×[0,1] 模掉等價(jià)關(guān)系(0,y)~(1,y), 0≤y≤1 和 (x,0)~(1-x,1), 0≤x≤1。類似于 Mobius Band, 克萊因瓶不可定向。但 Mobius 帶可嵌入   ，而克萊因瓶只能嵌入四維（或更高維）空間。莫比烏斯帶編輯 把一條紙帶的一段扭180°，再和另一端粘起來(lái)就得到一條莫比烏斯帶的模型。這也是一個(gè)只有莫比烏斯帶、一個(gè)面的曲面，但是和球面、輪胎面和克萊因瓶不同的是，它有邊（注意，它只有一條邊）。如果我們把兩條莫比烏斯帶沿著它們唯一的邊粘合起來(lái)，你就得到了一個(gè)克萊因瓶 莫比烏斯帶 莫比烏斯帶 （當(dāng)然不要忘了，我們必須在四維空間中才能真正有可能完成這個(gè)粘合，否則的話就不得不把紙撕破一點(diǎn)）。同樣地，如果把一個(gè)克萊因瓶適當(dāng)?shù)丶糸_來(lái)，我們就能得到兩條莫比烏斯帶。除了我們上面看到的克萊因瓶的模樣，還有一種不太為人所知的“8字形”克萊因瓶。它看起來(lái)和上面的曲面完全不同，但是在四維空間中它們其實(shí)就是同一個(gè)曲面－－克萊因瓶。實(shí)際上，可以說(shuō)克萊因瓶是一個(gè)3°的莫比烏斯帶。我們知道，在平面上畫一個(gè)圓，再在圓內(nèi)放一樣?xùn)|西，假如在二度空間中將它拿出來(lái)，就不得不越過(guò)圓周。但在三度空間中，很容易不越過(guò)圓周就將其拿出來(lái)，放到圓外。將物體的軌跡連同原來(lái)的圓投影到二度空間中，就是一個(gè)“二維克萊因瓶”，即莫比烏斯帶（這里的莫比烏斯帶是指拓?fù)湟饬x上的莫比烏斯帶）。再設(shè)想一下，在我們的3°空間中，不可能在不打破蛋殼的前提下從雞蛋中取出蛋黃，但在四度空間里卻可以。將蛋黃的軌跡連同蛋殼投影在三度空間中，必然可以看到一個(gè)克萊因瓶。制造經(jīng)歷編輯 過(guò)去，德國(guó)數(shù)學(xué)家克萊因就曾提出了“不可能”設(shè)想，即拓?fù)鋵W(xué)的大怪物－－克萊因瓶。這種瓶子根本沒(méi)有內(nèi)、外之分，無(wú)論從什么地方穿透曲面，到達(dá)之處依然在瓶的外面，所以，它本質(zhì)上就是一個(gè)“有外無(wú)內(nèi)”的古怪東西。盡管現(xiàn)代玻璃工業(yè)已經(jīng)發(fā)展得非常先進(jìn)，但是，所謂的“克萊因瓶”卻始終是大數(shù)學(xué)家克萊因先生腦子里頭的“虛構(gòu)物”，根本制造不出來(lái)。許多國(guó)家的數(shù)學(xué)家老是想造它一個(gè)出來(lái)，作為獻(xiàn)給國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)的禮物。然而，等待他們的是一個(gè)失敗接著一個(gè)失敗。也有人認(rèn)為，即使造不出玻璃制品，能造出一個(gè)紙模型也不錯(cuò)。如果真的解決了這個(gè)問(wèn)題，那可是個(gè)大收獲！直徑和年齡 最新的研究認(rèn)為宇宙的直徑可920億光年，甚至更大。[28] 目前可觀測(cè)的宇宙年齡大約為138.2億年。[29] 形狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 [30] 目前的宇宙理論認(rèn)為宇宙可能是類似馬鞍狀的負(fù)彎曲形狀，該理論源于宇宙大爆炸理論，整個(gè)宇宙的外形如同一個(gè)吹起的氣球，我們則生活在宇宙的“表面”。[31] 同時(shí)，科學(xué)家也認(rèn)為宇宙是平坦的，根據(jù)美國(guó)宇航局的調(diào)查，宇宙可能是平坦的，2013年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)如果宇宙是平坦的，那么誤差只有0.4%。[32] 斯蒂芬·霍金表示，我們宇宙的形狀可能是一種難以置信的幾何圖形，更接近于超現(xiàn)實(shí)主義的藝術(shù)，如同荷蘭藝術(shù)家摩里茨·科奈里斯·埃舍爾創(chuàng) 銀河系 銀河系 [33] 作的圖形一樣。霍金的想法以弦理論為依據(jù)，而該理論目前仍然還處于假設(shè)之中，并未被驗(yàn)證。如果用語(yǔ)言來(lái)形容宇宙的形狀，應(yīng)該是整體呈現(xiàn)多重鑲嵌模式，具有無(wú)限重復(fù)出現(xiàn)的扭曲面，曲面間環(huán)環(huán)相扣，如同科奈里斯·埃舍爾創(chuàng)作的“圓形極限IV”圖案，也與美國(guó)工程師P.H. Smith創(chuàng)作的“史密斯圓圖”類似，體現(xiàn)出雙曲空間的概念，是一種非歐幾何的空間形態(tài)。[34] 層次結(jié)構(gòu) 當(dāng)代天文學(xué)研究成果表明，宇宙是有層次結(jié)構(gòu)的、 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 [35] 不斷膨脹、物質(zhì)形態(tài)多樣的、不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展的天體系統(tǒng)。行星、小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，構(gòu)成太陽(yáng)系。太陽(yáng)系外也存在其他行星系統(tǒng)。約2500億顆類似太陽(yáng)的恒星和星際物質(zhì)構(gòu)成更巨大的天體系統(tǒng)——銀河系。銀河系的直徑約10萬(wàn)光年，太陽(yáng)位于銀河系的一個(gè)旋臂中，距銀心約2.6萬(wàn)光年。銀河系外還有許多類似的天體系統(tǒng)，稱為河外星系，常簡(jiǎn)稱星系。目前觀測(cè)到1000億個(gè)星系，科學(xué)家估計(jì)宇宙中至少有2萬(wàn)億個(gè)星系。星系聚集成大大小小的集團(tuán)，叫星系團(tuán)。平均而言，每個(gè)星系團(tuán)約有百余個(gè)星系，直徑達(dá)上千萬(wàn)光年。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)上萬(wàn)個(gè)星系團(tuán)。包括銀河系在內(nèi)約40個(gè)星系構(gòu)成的一個(gè)小星系團(tuán)叫本星系群。橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 [36] 若干星系團(tuán)集聚在一起構(gòu)成的更高一層次的天體系統(tǒng)叫超星系團(tuán)。超星系團(tuán)往往具有扁長(zhǎng)的外形，其長(zhǎng)徑可達(dá)數(shù)億光年。通常超星系團(tuán)內(nèi)只含有幾個(gè)星系團(tuán)，只有少數(shù)超星系團(tuán)擁有幾十個(gè)星系團(tuán)。本星系群和其附近的約50個(gè)星系團(tuán)構(gòu)成的超星系團(tuán)叫做本超星系團(tuán)。星系分類 根據(jù)可反映星系發(fā)展?fàn)顟B(tài)的序列號(hào)對(duì)星系進(jìn)行了分類，可以粗略地將星系劃分出橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系等五種。[37] 太陽(yáng)系天體 太陽(yáng)質(zhì)量占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86%，它以自己強(qiáng)大的引力將 NASA公布的太陽(yáng)風(fēng)暴的照片 NASA公布的太陽(yáng)風(fēng)暴的照片 [38] 太陽(yáng)系里的所有天體牢牢地吸引在它的周圍，使它們不離不散、井然有序地繞自己旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，太陽(yáng)又作為一顆普通恒星，帶領(lǐng)它的成員，萬(wàn)古不息地繞銀河系的中心運(yùn)動(dòng)。[39]  太陽(yáng)的半徑為696000千米，質(zhì)量為1.989×10^30kg，中心溫度約15000000 ℃，。[40]  如果一個(gè)人站在太陽(yáng)表面，那么他的體重將會(huì)是在地球上的20倍。[41]  現(xiàn)代星云假說(shuō)根據(jù)觀測(cè)資料和理論計(jì)算，提出：太陽(yáng)系原始星云是巨大的星際云瓦解的一個(gè)小云，一開始就在自轉(zhuǎn)，并在自身引力作用下收縮，中心部分形成太陽(yáng)，外部演化成星云盤，星云盤以后形成行星。目前，現(xiàn)代星云說(shuō)又存在不同學(xué)派，這些學(xué)派之間還存在著許多差別，有待進(jìn)一步研究和證實(shí)。[42] 金星是離太陽(yáng)的第二顆行星，夜空中亮度僅次于月球。[43]  金星上沒(méi)有水，大氣中嚴(yán)重缺氧，二氧化碳占97%以上，空氣中有一層厚達(dá)20千米至30千米的濃硫酸云，地面溫度從不低于400℃，是個(gè)名副其實(shí)的“煉獄”般世界。金星地面的大氣壓強(qiáng)為地球的90倍，相當(dāng)于地球海洋中900米深度時(shí)的壓強(qiáng)。金星大氣主要由二氧化碳等溫室氣體組成，失控的溫室效應(yīng)，是導(dǎo)致金星極端氣候的主要原因。由于金星沒(méi)有內(nèi)稟磁層保護(hù)，誘發(fā)磁層中磁場(chǎng)重聯(lián)釋放的巨大能量，使得金星大氣被加熱后加速逃逸。科學(xué)界認(rèn)為，金星上大氣的逃逸，是造成金星上缺水而被富含二氧化碳的稠密大氣所籠罩，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的溫室效應(yīng)的原因。[44] 木星是離太陽(yáng)第五顆行星，而且是最大的一顆，比所有其他的行星 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） [45] 的合質(zhì)量大2倍（地球的318倍），直徑142987km。它是氣態(tài)行星沒(méi)有實(shí)體表面，由90%的氫和10%的氦（原子數(shù)之比, 75/25%的質(zhì)量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石頭”組成。這與形成整個(gè)太陽(yáng)系的原始的太陽(yáng)系星云的組成十分相似。木星可能有一個(gè)石質(zhì)的內(nèi)核，相當(dāng)于10－15個(gè)地球的質(zhì)量。內(nèi)核上則是大部分的行星物質(zhì)集結(jié)地，以液態(tài)氫的形式存在。液態(tài)金屬氫由離子化的質(zhì)子與電子組成（類似于太陽(yáng)的內(nèi)部，不過(guò)溫度低多了）。木星共有67顆木衛(wèi)。按距離木星中心由近及遠(yuǎn)的次序?yàn)椋耗拘l(wèi)十六、木衛(wèi)十四、木衛(wèi)五、木衛(wèi)十五、木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、木衛(wèi)十三、木衛(wèi)六、木衛(wèi)十、木衛(wèi)七、木衛(wèi)十二、木衛(wèi)十一、木衛(wèi)八和木衛(wèi)九。[46] 水星是最接近太陽(yáng)的行星。水星的半徑約為2440公里，在八大行星中是最小的。水星晝夜溫差極大，白天攝氏 430 度，晚上約可達(dá)零下170 度，是太陽(yáng)系八大行星中溫差最大的一個(gè)行星。[47]  水星的外大氣層非常稀薄，是由水星表面和太陽(yáng)風(fēng)中的原子和離子構(gòu)成。[48]  科學(xué)家確認(rèn)水星表面含有豐富的碳，認(rèn)為碳是水星表面呈黑色的原因，水星表面的巖石是由低重量百分比的石墨碳構(gòu)成。[49] “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 [50] 火星是地球的近鄰，是太陽(yáng)系由內(nèi)往外數(shù)第四顆行星。直徑6794km，體積為地球的15%，質(zhì)量為地球的11%。火星表面是一個(gè)荒涼的世界，空氣中二氧化碳占了95%。火星大氣十分稀薄，密度還不到地球大氣的1%，因而根本無(wú)法保存熱量。這導(dǎo)致火星表面溫度極低，很少超過(guò)0℃，在夜晚，最低溫度則可達(dá)到-123℃。火星被稱為紅色的行星，這是因?yàn)樗砻娌紳M了氧化物，因而呈現(xiàn)出鐵銹紅色。其表面的大部分地區(qū)都是含有大量的紅色氧化物的大沙漠，還有赭色的礫石地和凝固的熔巖流。火星上常常有猛烈的大風(fēng)，大風(fēng)揚(yáng)起沙塵能形成可以覆蓋火星全球的特大型沙塵暴。每次沙塵暴可持續(xù)數(shù)個(gè)星期。火星兩極的冰冠和火星大氣中含有水份。從火星表面獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)證明，在遠(yuǎn)古時(shí)期，火星曾經(jīng)有過(guò)液態(tài)的水，而且水量特別大。[51] 土星是離太陽(yáng)第六顆行星，直徑120536㎞，體積僅次于木星。主要由氫組成，還有少量的氦與微量元素，內(nèi)部的核心包括巖石和冰，外圍由數(shù)層金屬氫和氣體包裹著。地球距離土星13億公里。土星的引力比地球強(qiáng)2.5倍，能夠牽引太陽(yáng)系內(nèi)其它行星，使地球處于一個(gè)橢圓軌道中運(yùn)行，并且與太陽(yáng)保持適當(dāng)距離，適宜生命繁衍。當(dāng)土星軌道傾斜20度將使地球軌道比金星軌道更接近太陽(yáng)，同時(shí)，這將導(dǎo)致火星完全離開太陽(yáng)系。[52]  土星是已知唯一密度小于水的行星，假如能夠?qū)⑼列欠湃胍粋€(gè)巨大的浴池之中，它將可以漂浮起來(lái)。土星有一個(gè)巨大的磁氣圈和一個(gè)狂風(fēng)肆虐的大氣層，赤道附近的風(fēng)速可達(dá)1800千米/時(shí)。在環(huán)繞土星運(yùn)行的31顆衛(wèi)星中間，土衛(wèi)六是最大的一顆，比水星和月球還大，也是太陽(yáng)系中唯一擁有濃厚大氣層的衛(wèi)星。[53] 天王星是離太陽(yáng)第七顆行星，51118km。體積約為地球的65倍，在九大行星中僅次于木星和土星。天王星的大氣層中83%是氫，15%為氦，2%為甲烷以及少量的乙炔和碳?xì)浠衔铩Ｉ蠈哟髿鈱拥募淄槲占t光，使天王星呈現(xiàn)藍(lán)綠色。大氣在固定緯度集結(jié)成云層，類似于木星和土星在緯線上鮮艷的條狀色帶。天王星云層的平均溫度為零下193攝氏度。質(zhì)量為8.6810±13×102?kg，相當(dāng)于地球質(zhì)量的14.63倍。密度較小，只有1.24克/立方厘米，為海王星密度值的74.7%。[54] 恒星 恒星 海王星是離太陽(yáng)的第八顆行星，直徑49532千米。海王星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道半徑為45億千米，公轉(zhuǎn)一周需要165年。海王星的直徑和天王星類似，質(zhì)量比天王星略大一些。海王星和天王星的主要大氣成分都是氫和氦，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也極為相近，所以說(shuō)海王星與天王星是一對(duì)孿生兄弟。[55]  海王星有太陽(yáng)系最強(qiáng)烈的風(fēng)，測(cè)量到的時(shí)速高達(dá)2100公里。海王星云頂?shù)臏囟仁牵?18 °C，是太陽(yáng)系最冷的地區(qū)之一。海王星核心的溫度約為7000 °C，可以和太陽(yáng)的表面比較。海王星在1846年9月23日被發(fā)現(xiàn)，是唯一利用數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)而非有計(jì)劃的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的行星。[56] 冥王星，位于海王星以外的柯伊伯帶內(nèi)側(cè)，是柯伊伯帶中已知的最大天體。[57]  直徑約為2370±20km，是地球直徑的18.5%。[58]  2006年8月24日，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)24日投票決定，不再將傳統(tǒng)九大行星之一的冥王星視為行星，而將其列入“矮行星”。大會(huì)通過(guò)的決議規(guī)定，“行星”指的是圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)、自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀、能夠清除其軌道附近其他物體的天體。在太陽(yáng)系傳統(tǒng)的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合這些要求。冥王星由于其軌道與海王星的軌道相交，不符合新的行星定義，因此被自動(dòng)降級(jí)為“矮行星”。[59]  冥王星的表面溫度大概在-238到-228℃之間。冥王星的成份由70%巖石和30%冰水混合而成的。地表上光亮的部分可能覆蓋著一些固體氮以及少量 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過(guò)地球，可見清晰月球背面 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過(guò)地球，可見清晰月球背面 [60] 的固體甲烷和一氧化碳，冥王星表面的黑暗部分可能是一些基本的有機(jī)物質(zhì)或是由宇宙射線引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)。冥王星的大氣層主要由氮和少量的一氧化碳及甲烷組成。大氣極其稀薄，地面壓強(qiáng)只有少量微帕。[61] 地球是離太陽(yáng)第三顆行星，是我們?nèi)祟惖募亦l(xiāng)，盡管地球是太陽(yáng)系中一顆普通的行星，但它在許多方面都是獨(dú)一無(wú)二的。比如，它是太陽(yáng)系中唯一一顆面積大部分被水覆蓋的行星，也是目前所知唯一一顆有生命存在的星球。質(zhì)量M=5.9742 ×10^24 公斤，表面溫度：t = - 30 ～ +45。[62]  英國(guó)科研人員在《天體生物學(xué)》雜志上報(bào)告說(shuō)，如果沒(méi)有小行星撞擊等可能劇烈改變環(huán)境的事件發(fā)生，地球適宜人類居住的時(shí)間還剩約17.5億年，不過(guò)人為造成的氣候變化可能縮短這一時(shí)間。[63] 彗星是由灰塵和冰塊組成的太陽(yáng)系中的一類小天體，繞日運(yùn)動(dòng)。[64]  科學(xué)家使用探測(cè)器對(duì)彗星的化學(xué)遺留物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要成份為氨、甲烷、硫化氫、氰化氫和甲醛。科學(xué)家得出結(jié)論稱，彗星的氣味聞起來(lái)像是臭雞蛋、馬尿、酒精和苦杏仁的氣味綜合。[65-66] “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 [67] 在太陽(yáng)系的周圍還包裹著一個(gè)龐大的“奧爾特云”。星云內(nèi)分布著不計(jì)其數(shù)的冰塊、雪團(tuán)和碎石。其中的某些會(huì)受太陽(yáng)引力影響飛入內(nèi)太陽(yáng)系，這就是彗星。這些冰塊、雪團(tuán)和碎石進(jìn)入太陽(yáng)系內(nèi)部，其表面因受太陽(yáng)風(fēng)的吹拂而開始揮發(fā)。所以彗星都拖著一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，而且越靠近太陽(yáng)尾巴越長(zhǎng)、越明顯。太陽(yáng)系內(nèi)的星際空間并不是真空的，而是充滿了各種粒子、射線、氣體和塵埃。[68] 柯伊伯帶，是一種理論推測(cè)認(rèn)為短周期彗星是來(lái)自離太陽(yáng)50—500天文單位的一個(gè)環(huán)帶，位于太陽(yáng)系的盡頭。柯伊伯帶是冰質(zhì)殘片組成的巨環(huán)，位于海王星軌道之外，環(huán)繞著太陽(yáng)系的外邊緣。[69] 物質(zhì)多樣性 紅巨星，當(dāng)一顆恒星度過(guò)它漫長(zhǎng)的青壯年期——主序星階段，步入老年期時(shí)，它將首先變?yōu)橐活w紅巨星。稱它為“巨星”，是突出它的體積巨大。在巨星階段，恒星的體積將膨脹到十億倍之多。稱它為“紅”巨星，是因?yàn)樵谶@恒星迅速膨脹的同時(shí)，它的外表面離中心越來(lái)越遠(yuǎn)，所以溫度將隨之而降低，發(fā)出的光也就越來(lái)越偏紅。不過(guò)，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。紅巨星一旦形成，就朝恒星的下一階段白矮星進(jìn)發(fā)。[70] 白矮星，是一種低光度、高密度、高溫度的恒星。因?yàn)轭伾拾咨Ⅲw積比較矮小，因此被命名為白矮星。哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過(guò)程 哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過(guò)程 [71] 白矮星是一種很特殊的天體，它的體積小、亮度低，但質(zhì)量大、密度極高。白矮星是中低質(zhì)量的恒星的演化路線的終點(diǎn)。在紅巨星階段的末期，恒星的中心會(huì)因?yàn)闇囟取毫Σ蛔慊蛘吆司圩冞_(dá)到鐵階段而停止產(chǎn)生能量。恒星外殼的重力會(huì)壓縮恒星產(chǎn)生一個(gè)高密度的天體。一個(gè)典型的穩(wěn)定獨(dú)立白矮星具有大約半個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，比地球略大。這種密度僅次于中子星和夸克星。如果白矮星的質(zhì)量超過(guò)1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對(duì)抗重力，電子會(huì)被壓入原子核而形成中子星。原子是由原子核和電子組成的，原子的質(zhì)量絕大部分集中在原子核上，在巨大的壓力之下，電子將脫離原子核，成自由電子。這種自由電子氣體將盡可能地占據(jù)原子核之間的空隙，從而使單位空間內(nèi)包含的物質(zhì)也將大大增多，密度大大提高了。形象地說(shuō)，這時(shí)原子核是“沉浸于”電子中，常稱之為“簡(jiǎn)并態(tài)”。[72]  大多數(shù)的恒星內(nèi)核通過(guò)氫核聚變進(jìn)行燃燒，將質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚a(chǎn)生光和熱量，當(dāng)恒星內(nèi)部氫燃料完成消耗完后就開始進(jìn)行氦融合反應(yīng)，并形成更重的碳和氧，這一過(guò)程對(duì)于類似太陽(yáng)這樣的恒星而言，就顯得較為短暫，并形成碳氧組成的白矮星，如果其質(zhì)量大于1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，就會(huì)發(fā)生Ia型超新星爆發(fā)。[73] 類星體,20世紀(jì)60年代以來(lái)，天文學(xué)家還找到一種在銀河系以外像恒星一樣表現(xiàn)為一個(gè)光點(diǎn)的天體，但實(shí)際上它的光度和質(zhì)量又和星系一樣，我們叫它類星體，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)這種天體。[74] 超新星，是恒星演化過(guò)程中的一個(gè)階段。超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。一般認(rèn)為質(zhì)量小于9倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的恒星，在經(jīng)歷引力坍縮的過(guò)程后是無(wú)法形成超新星的。[75]  在大質(zhì)量恒星演化到晚期，內(nèi)部不能產(chǎn)生新的能量，巨大的引力將整個(gè)星體迅速向中心坍縮，將中心物質(zhì)都?jí)撼芍凶訝顟B(tài)，形成中子星，而外層下坍的物質(zhì)遇到這堅(jiān)硬的“中子核”反彈引起爆炸。這就成為超新星爆發(fā)，質(zhì)量更大時(shí)，中心更可形成黑洞。[76]  在超新星爆發(fā)的過(guò)程中所釋放的能量，需要我們的太陽(yáng)燃燒900億年才能與之相當(dāng)。[77]  超新星研究有著關(guān)乎人類自身命運(yùn)的深層意義。如果一顆超新星爆發(fā)的位置非常接近地球，目前國(guó)際天文學(xué)界普遍認(rèn)為此距離在100光年以內(nèi)，它就能夠?qū)Φ厍虻纳锶Ξa(chǎn)生明顯的影響，這樣的超新星被稱為近地超新星。有研究認(rèn)為，在地球歷史上的奧陶紀(jì)大滅絕，就是一顆近地超新星引起的，這次滅絕導(dǎo)致當(dāng)時(shí)地球近60%的海洋生物消失。[78

克萊因瓶是一個(gè)不可定向的二維緊流形，而球面或輪胎面是可 克萊因瓶 克萊因瓶 定向的二維緊流形。如果觀察克萊因瓶，有一點(diǎn)似乎令人困惑－－克萊因瓶的瓶頸和瓶身是相交的，換句話說(shuō)，瓶頸上的某些點(diǎn)和瓶壁上的某些點(diǎn)占據(jù)了三維空間中的同一個(gè)位置。我們可以把克萊因瓶放在四維空間中理解：克萊因瓶是一個(gè)在四維空間中才可能真正表現(xiàn)出來(lái)的曲面。如果我們一定要把它表現(xiàn)在我們生活的三維空間中，我們只好將就點(diǎn)，把它表現(xiàn)得似乎是自己和自己相交一樣。克萊因瓶的瓶頸是穿過(guò)了第四維空間再和瓶底圈連起來(lái)的，并不穿過(guò)瓶壁。用扭結(jié)來(lái)打比方，如果把它看作平面上的曲線的話，那么它似乎自身相交，再一看似乎又?jǐn)喑闪巳亍５鋵?shí)很容易明白，這個(gè)圖形其實(shí)是三維空間中的曲線。它并不和自己相交，而是連續(xù)不斷的一條曲線。在平面上一條曲線自然做不到這樣，但是如果有第三維的話，它就可以穿過(guò)第三維來(lái)避開和自己相交。只是因?yàn)槲覀円阉嬙诙S平面上時(shí)，只好將就一點(diǎn)，把它畫成相交或者斷裂了的樣子。克萊因瓶也一樣，我們可以把它理解成處于四維空間中的曲面。在我們這個(gè)三維空間中，即使是最高明的能工巧匠，也不得不把它做成自身相交的模樣；就好像最高明的畫家，在紙上畫扭結(jié)的時(shí)候也不得不把它們畫成自身相交的模樣。有趣的是，如果把克萊因瓶沿著它的對(duì)稱線切下去，竟會(huì)得到兩個(gè)莫比烏斯環(huán)。在二維看似穿過(guò)自身的繩子 在二維看似穿過(guò)自身的繩子 如果莫比烏斯帶能夠完美的展現(xiàn)一個(gè)“二維空間中一維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”的話，克萊因瓶只能作為展現(xiàn)一個(gè)“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”的參考。因?yàn)樵谥谱髂葹跛箮У倪^(guò)程中，我們要對(duì)紙帶進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)再首尾相連，這就是一個(gè)三維空間下的操作。理想的“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”應(yīng)該是在二維面中，朝任意方向前進(jìn)都可以回到原點(diǎn)的模型，而克萊因瓶雖然在二維面上可以向任意方向無(wú)限前進(jìn)。但是只有在兩個(gè)特定的方向上才會(huì)回到原點(diǎn)，并且只有在其中一個(gè)方向上，回到原點(diǎn)之前會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)“逆向原點(diǎn)”，真正理想的“三維空間中二維可無(wú)限擴(kuò)展之空間模型”也應(yīng)該是在二維面上朝任何方向前進(jìn)，都會(huì)先經(jīng)過(guò)一次“逆向原點(diǎn)”，再回到原點(diǎn)。而制作這個(gè)模型，則需要在四維空間上對(duì)三維模型進(jìn)行扭曲。數(shù)學(xué)中有一個(gè)重要分支叫“拓?fù)鋵W(xué)”，主要是研究幾何圖形連續(xù)改變形狀時(shí)的一些特征和規(guī)律的，克萊因瓶和莫比烏斯帶變成了拓?fù)鋵W(xué)中最有趣的問(wèn)題之一。莫比烏斯帶的概念被廣泛地應(yīng)用到了建筑，藝術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)中。三維空間里的克萊因瓶 拓?fù)鋵W(xué)的定義編輯 克萊因瓶定義為正方形區(qū)域 [0,1]×[0,1] 模掉等價(jià)關(guān)系(0,y)~(1,y), 0≤y≤1 和 (x,0)~(1-x,1), 0≤x≤1。類似于 Mobius Band, 克萊因瓶不可定向。但 Mobius 帶可嵌入   ，而克萊因瓶只能嵌入四維（或更高維）空間。莫比烏斯帶編輯 把一條紙帶的一段扭180°，再和另一端粘起來(lái)就得到一條莫比烏斯帶的模型。這也是一個(gè)只有莫比烏斯帶、一個(gè)面的曲面，但是和球面、輪胎面和克萊因瓶不同的是，它有邊（注意，它只有一條邊）。如果我們把兩條莫比烏斯帶沿著它們唯一的邊粘合起來(lái)，你就得到了一個(gè)克萊因瓶 莫比烏斯帶 莫比烏斯帶 （當(dāng)然不要忘了，我們必須在四維空間中才能真正有可能完成這個(gè)粘合，否則的話就不得不把紙撕破一點(diǎn)）。同樣地，如果把一個(gè)克萊因瓶適當(dāng)?shù)丶糸_來(lái)，我們就能得到兩條莫比烏斯帶。除了我們上面看到的克萊因瓶的模樣，還有一種不太為人所知的“8字形”克萊因瓶。它看起來(lái)和上面的曲面完全不同，但是在四維空間中它們其實(shí)就是同一個(gè)曲面－－克萊因瓶。實(shí)際上，可以說(shuō)克萊因瓶是一個(gè)3°的莫比烏斯帶。我們知道，在平面上畫一個(gè)圓，再在圓內(nèi)放一樣?xùn)|西，假如在二度空間中將它拿出來(lái)，就不得不越過(guò)圓周。但在三度空間中，很容易不越過(guò)圓周就將其拿出來(lái)，放到圓外。將物體的軌跡連同原來(lái)的圓投影到二度空間中，就是一個(gè)“二維克萊因瓶”，即莫比烏斯帶（這里的莫比烏斯帶是指拓?fù)湟饬x上的莫比烏斯帶）。再設(shè)想一下，在我們的3°空間中，不可能在不打破蛋殼的前提下從雞蛋中取出蛋黃，但在四度空間里卻可以。將蛋黃的軌跡連同蛋殼投影在三度空間中，必然可以看到一個(gè)克萊因瓶。制造經(jīng)歷編輯 過(guò)去，德國(guó)數(shù)學(xué)家克萊因就曾提出了“不可能”設(shè)想，即拓?fù)鋵W(xué)的大怪物－－克萊因瓶。這種瓶子根本沒(méi)有內(nèi)、外之分，無(wú)論從什么地方穿透曲面，到達(dá)之處依然在瓶的外面，所以，它本質(zhì)上就是一個(gè)“有外無(wú)內(nèi)”的古怪東西。盡管現(xiàn)代玻璃工業(yè)已經(jīng)發(fā)展得非常先進(jìn)，但是，所謂的“克萊因瓶”卻始終是大數(shù)學(xué)家克萊因先生腦子里頭的“虛構(gòu)物”，根本制造不出來(lái)。許多國(guó)家的數(shù)學(xué)家老是想造它一個(gè)出來(lái)，作為獻(xiàn)給國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)的禮物。然而，等待他們的是一個(gè)失敗接著一個(gè)失敗。也有人認(rèn)為，即使造不出玻璃制品，能造出一個(gè)紙模型也不錯(cuò)。如果真的解決了這個(gè)問(wèn)題，那可是個(gè)大收獲！直徑和年齡 最新的研究認(rèn)為宇宙的直徑可920億光年，甚至更大。[28] 目前可觀測(cè)的宇宙年齡大約為138.2億年。[29] 形狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 [30] 目前的宇宙理論認(rèn)為宇宙可能是類似馬鞍狀的負(fù)彎曲形狀，該理論源于宇宙大爆炸理論，整個(gè)宇宙的外形如同一個(gè)吹起的氣球，我們則生活在宇宙的“表面”。[31] 同時(shí)，科學(xué)家也認(rèn)為宇宙是平坦的，根據(jù)美國(guó)宇航局的調(diào)查，宇宙可能是平坦的，2013年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)如果宇宙是平坦的，那么誤差只有0.4%。[32] 斯蒂芬·霍金表示，我們宇宙的形狀可能是一種難以置信的幾何圖形，更接近于超現(xiàn)實(shí)主義的藝術(shù)，如同荷蘭藝術(shù)家摩里茨·科奈里斯·埃舍爾創(chuàng) 銀河系 銀河系 [33] 作的圖形一樣。霍金的想法以弦理論為依據(jù)，而該理論目前仍然還處于假設(shè)之中，并未被驗(yàn)證。如果用語(yǔ)言來(lái)形容宇宙的形狀，應(yīng)該是整體呈現(xiàn)多重鑲嵌模式，具有無(wú)限重復(fù)出現(xiàn)的扭曲面，曲面間環(huán)環(huán)相扣，如同科奈里斯·埃舍爾創(chuàng)作的“圓形極限IV”圖案，也與美國(guó)工程師P.H. Smith創(chuàng)作的“史密斯圓圖”類似，體現(xiàn)出雙曲空間的概念，是一種非歐幾何的空間形態(tài)。[34] 層次結(jié)構(gòu) 當(dāng)代天文學(xué)研究成果表明，宇宙是有層次結(jié)構(gòu)的、 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 [35] 不斷膨脹、物質(zhì)形態(tài)多樣的、不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展的天體系統(tǒng)。行星、小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，構(gòu)成太陽(yáng)系。太陽(yáng)系外也存在其他行星系統(tǒng)。約2500億顆類似太陽(yáng)的恒星和星際物質(zhì)構(gòu)成更巨大的天體系統(tǒng)——銀河系。銀河系的直徑約10萬(wàn)光年，太陽(yáng)位于銀河系的一個(gè)旋臂中，距銀心約2.6萬(wàn)光年。銀河系外還有許多類似的天體系統(tǒng)，稱為河外星系，常簡(jiǎn)稱星系。目前觀測(cè)到1000億個(gè)星系，科學(xué)家估計(jì)宇宙中至少有2萬(wàn)億個(gè)星系。星系聚集成大大小小的集團(tuán)，叫星系團(tuán)。平均而言，每個(gè)星系團(tuán)約有百余個(gè)星系，直徑達(dá)上千萬(wàn)光年。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)上萬(wàn)個(gè)星系團(tuán)。包括銀河系在內(nèi)約40個(gè)星系構(gòu)成的一個(gè)小星系團(tuán)叫本星系群。橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 [36] 若干星系團(tuán)集聚在一起構(gòu)成的更高一層次的天體系統(tǒng)叫超星系團(tuán)。超星系團(tuán)往往具有扁長(zhǎng)的外形，其長(zhǎng)徑可達(dá)數(shù)億光年。通常超星系團(tuán)內(nèi)只含有幾個(gè)星系團(tuán)，只有少數(shù)超星系團(tuán)擁有幾十個(gè)星系團(tuán)。本星系群和其附近的約50個(gè)星系團(tuán)構(gòu)成的超星系團(tuán)叫做本超星系團(tuán)。星系分類 根據(jù)可反映星系發(fā)展?fàn)顟B(tài)的序列號(hào)對(duì)星系進(jìn)行了分類，可以粗略地將星系劃分出橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系等五種。[37] 太陽(yáng)系天體 太陽(yáng)質(zhì)量占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86%，它以自己強(qiáng)大的引力將 NASA公布的太陽(yáng)風(fēng)暴的照片 NASA公布的太陽(yáng)風(fēng)暴的照片 [38] 太陽(yáng)系里的所有天體牢牢地吸引在它的周圍，使它們不離不散、井然有序地繞自己旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，太陽(yáng)又作為一顆普通恒星，帶領(lǐng)它的成員，萬(wàn)古不息地繞銀河系的中心運(yùn)動(dòng)。[39]  太陽(yáng)的半徑為696000千米，質(zhì)量為1.989×10^30kg，中心溫度約15000000 ℃，。[40]  如果一個(gè)人站在太陽(yáng)表面，那么他的體重將會(huì)是在地球上的20倍。[41]  現(xiàn)代星云假說(shuō)根據(jù)觀測(cè)資料和理論計(jì)算，提出：太陽(yáng)系原始星云是巨大的星際云瓦解的一個(gè)小云，一開始就在自轉(zhuǎn)，并在自身引力作用下收縮，中心部分形成太陽(yáng)，外部演化成星云盤，星云盤以后形成行星。目前，現(xiàn)代星云說(shuō)又存在不同學(xué)派，這些學(xué)派之間還存在著許多差別，有待進(jìn)一步研究和證實(shí)。[42] 金星是離太陽(yáng)的第二顆行星，夜空中亮度僅次于月球。[43]  金星上沒(méi)有水，大氣中嚴(yán)重缺氧，二氧化碳占97%以上，空氣中有一層厚達(dá)20千米至30千米的濃硫酸云，地面溫度從不低于400℃，是個(gè)名副其實(shí)的“煉獄”般世界。金星地面的大氣壓強(qiáng)為地球的90倍，相當(dāng)于地球海洋中900米深度時(shí)的壓強(qiáng)。金星大氣主要由二氧化碳等溫室氣體組成，失控的溫室效應(yīng)，是導(dǎo)致金星極端氣候的主要原因。由于金星沒(méi)有內(nèi)稟磁層保護(hù)，誘發(fā)磁層中磁場(chǎng)重聯(lián)釋放的巨大能量，使得金星大氣被加熱后加速逃逸。科學(xué)界認(rèn)為，金星上大氣的逃逸，是造成金星上缺水而被富含二氧化碳的稠密大氣所籠罩，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的溫室效應(yīng)的原因。[44] 木星是離太陽(yáng)第五顆行星，而且是最大的一顆，比所有其他的行星 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） [45] 的合質(zhì)量大2倍（地球的318倍），直徑142987km。它是氣態(tài)行星沒(méi)有實(shí)體表面，由90%的氫和10%的氦（原子數(shù)之比, 75/25%的質(zhì)量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石頭”組成。這與形成整個(gè)太陽(yáng)系的原始的太陽(yáng)系星云的組成十分相似。木星可能有一個(gè)石質(zhì)的內(nèi)核，相當(dāng)于10－15個(gè)地球的質(zhì)量。內(nèi)核上則是大部分的行星物質(zhì)集結(jié)地，以液態(tài)氫的形式存在。液態(tài)金屬氫由離子化的質(zhì)子與電子組成（類似于太陽(yáng)的內(nèi)部，不過(guò)溫度低多了）。木星共有67顆木衛(wèi)。按距離木星中心由近及遠(yuǎn)的次序?yàn)椋耗拘l(wèi)十六、木衛(wèi)十四、木衛(wèi)五、木衛(wèi)十五、木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、木衛(wèi)十三、木衛(wèi)六、木衛(wèi)十、木衛(wèi)七、木衛(wèi)十二、木衛(wèi)十一、木衛(wèi)八和木衛(wèi)九。[46] 水星是最接近太陽(yáng)的行星。水星的半徑約為2440公里，在八大行星中是最小的。水星晝夜溫差極大，白天攝氏 430 度，晚上約可達(dá)零下170 度，是太陽(yáng)系八大行星中溫差最大的一個(gè)行星。[47]  水星的外大氣層非常稀薄，是由水星表面和太陽(yáng)風(fēng)中的原子和離子構(gòu)成。[48]  科學(xué)家確認(rèn)水星表面含有豐富的碳，認(rèn)為碳是水星表面呈黑色的原因，水星表面的巖石是由低重量百分比的石墨碳構(gòu)成。[49] “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 [50] 火星是地球的近鄰，是太陽(yáng)系由內(nèi)往外數(shù)第四顆行星。直徑6794km，體積為地球的15%，質(zhì)量為地球的11%。火星表面是一個(gè)荒涼的世界，空氣中二氧化碳占了95%。火星大氣十分稀薄，密度還不到地球大氣的1%，因而根本無(wú)法保存熱量。這導(dǎo)致火星表面溫度極低，很少超過(guò)0℃，在夜晚，最低溫度則可達(dá)到-123℃。火星被稱為紅色的行星，這是因?yàn)樗砻娌紳M了氧化物，因而呈現(xiàn)出鐵銹紅色。其表面的大部分地區(qū)都是含有大量的紅色氧化物的大沙漠，還有赭色的礫石地和凝固的熔巖流。火星上常常有猛烈的大風(fēng)，大風(fēng)揚(yáng)起沙塵能形成可以覆蓋火星全球的特大型沙塵暴。每次沙塵暴可持續(xù)數(shù)個(gè)星期。火星兩極的冰冠和火星大氣中含有水份。從火星表面獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)證明，在遠(yuǎn)古時(shí)期，火星曾經(jīng)有過(guò)液態(tài)的水，而且水量特別大。[51] 土星是離太陽(yáng)第六顆行星，直徑120536㎞，體積僅次于木星。主要由氫組成，還有少量的氦與微量元素，內(nèi)部的核心包括巖石和冰，外圍由數(shù)層金屬氫和氣體包裹著。地球距離土星13億公里。土星的引力比地球強(qiáng)2.5倍，能夠牽引太陽(yáng)系內(nèi)其它行星，使地球處于一個(gè)橢圓軌道中運(yùn)行，并且與太陽(yáng)保持適當(dāng)距離，適宜生命繁衍。當(dāng)土星軌道傾斜20度將使地球軌道比金星軌道更接近太陽(yáng)，同時(shí)，這將導(dǎo)致火星完全離開太陽(yáng)系。[52]  土星是已知唯一密度小于水的行星，假如能夠?qū)⑼列欠湃胍粋€(gè)巨大的浴池之中，它將可以漂浮起來(lái)。土星有一個(gè)巨大的磁氣圈和一個(gè)狂風(fēng)肆虐的大氣層，赤道附近的風(fēng)速可達(dá)1800千米/時(shí)。在環(huán)繞土星運(yùn)行的31顆衛(wèi)星中間，土衛(wèi)六是最大的一顆，比水星和月球還大，也是太陽(yáng)系中唯一擁有濃厚大氣層的衛(wèi)星。[53] 天王星是離太陽(yáng)第七顆行星，51118km。體積約為地球的65倍，在九大行星中僅次于木星和土星。天王星的大氣層中83%是氫，15%為氦，2%為甲烷以及少量的乙炔和碳?xì)浠衔铩Ｉ蠈哟髿鈱拥募淄槲占t光，使天王星呈現(xiàn)藍(lán)綠色。大氣在固定緯度集結(jié)成云層，類似于木星和土星在緯線上鮮艷的條狀色帶。天王星云層的平均溫度為零下193攝氏度。質(zhì)量為8.6810±13×102?kg，相當(dāng)于地球質(zhì)量的14.63倍。密度較小，只有1.24克/立方厘米，為海王星密度值的74.7%。[54] 恒星 恒星 海王星是離太陽(yáng)的第八顆行星，直徑49532千米。海王星繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道半徑為45億千米，公轉(zhuǎn)一周需要165年。海王星的直徑和天王星類似，質(zhì)量比天王星略大一些。海王星和天王星的主要大氣成分都是氫和氦，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也極為相近，所以說(shuō)海王星與天王星是一對(duì)孿生兄弟。[55]  海王星有太陽(yáng)系最強(qiáng)烈的風(fēng)，測(cè)量到的時(shí)速高達(dá)2100公里。海王星云頂?shù)臏囟仁牵?18 °C，是太陽(yáng)系最冷的地區(qū)之一。海王星核心的溫度約為7000 °C，可以和太陽(yáng)的表面比較。海王星在1846年9月23日被發(fā)現(xiàn)，是唯一利用數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)而非有計(jì)劃的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的行星。[56] 冥王星，位于海王星以外的柯伊伯帶內(nèi)側(cè)，是柯伊伯帶中已知的最大天體。[57]  直徑約為2370±20km，是地球直徑的18.5%。[58]  2006年8月24日，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)24日投票決定，不再將傳統(tǒng)九大行星之一的冥王星視為行星，而將其列入“矮行星”。大會(huì)通過(guò)的決議規(guī)定，“行星”指的是圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)、自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀、能夠清除其軌道附近其他物體的天體。在太陽(yáng)系傳統(tǒng)的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合這些要求。冥王星由于其軌道與海王星的軌道相交，不符合新的行星定義，因此被自動(dòng)降級(jí)為“矮行星”。[59]  冥王星的表面溫度大概在-238到-228℃之間。冥王星的成份由70%巖石和30%冰水混合而成的。地表上光亮的部分可能覆蓋著一些固體氮以及少量 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過(guò)地球，可見清晰月球背面 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過(guò)地球，可見清晰月球背面 [60] 的固體甲烷和一氧化碳，冥王星表面的黑暗部分可能是一些基本的有機(jī)物質(zhì)或是由宇宙射線引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)。冥王星的大氣層主要由氮和少量的一氧化碳及甲烷組成。大氣極其稀薄，地面壓強(qiáng)只有少量微帕。[61] 地球是離太陽(yáng)第三顆行星，是我們?nèi)祟惖募亦l(xiāng)，盡管地球是太陽(yáng)系中一顆普通的行星，但它在許多方面都是獨(dú)一無(wú)二的。比如，它是太陽(yáng)系中唯一一顆面積大部分被水覆蓋的行星，也是目前所知唯一一顆有生命存在的星球。質(zhì)量M=5.9742 ×10^24 公斤，表面溫度：t = - 30 ～ +45。[62]  英國(guó)科研人員在《天體生物學(xué)》雜志上報(bào)告說(shuō)，如果沒(méi)有小行星撞擊等可能劇烈改變環(huán)境的事件發(fā)生，地球適宜人類居住的時(shí)間還剩約17.5億年，不過(guò)人為造成的氣候變化可能縮短這一時(shí)間。[63] 彗星是由灰塵和冰塊組成的太陽(yáng)系中的一類小天體，繞日運(yùn)動(dòng)。[64]  科學(xué)家使用探測(cè)器對(duì)彗星的化學(xué)遺留物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要成份為氨、甲烷、硫化氫、氰化氫和甲醛。科學(xué)家得出結(jié)論稱，彗星的氣味聞起來(lái)像是臭雞蛋、馬尿、酒精和苦杏仁的氣味綜合。[65-66] “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 [67] 在太陽(yáng)系的周圍還包裹著一個(gè)龐大的“奧爾特云”。星云內(nèi)分布著不計(jì)其數(shù)的冰塊、雪團(tuán)和碎石。其中的某些會(huì)受太陽(yáng)引力影響飛入內(nèi)太陽(yáng)系，這就是彗星。這些冰塊、雪團(tuán)和碎石進(jìn)入太陽(yáng)系內(nèi)部，其表面因受太陽(yáng)風(fēng)的吹拂而開始揮發(fā)。所以彗星都拖著一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，而且越靠近太陽(yáng)尾巴越長(zhǎng)、越明顯。太陽(yáng)系內(nèi)的星際空間并不是真空的，而是充滿了各種粒子、射線、氣體和塵埃。[68] 柯伊伯帶，是一種理論推測(cè)認(rèn)為短周期彗星是來(lái)自離太陽(yáng)50—500天文單位的一個(gè)環(huán)帶，位于太陽(yáng)系的盡頭。柯伊伯帶是冰質(zhì)殘片組成的巨環(huán)，位于海王星軌道之外，環(huán)繞著太陽(yáng)系的外邊緣。[69] 物質(zhì)多樣性 紅巨星，當(dāng)一顆恒星度過(guò)它漫長(zhǎng)的青壯年期——主序星階段，步入老年期時(shí)，它將首先變?yōu)橐活w紅巨星。稱它為“巨星”，是突出它的體積巨大。在巨星階段，恒星的體積將膨脹到十億倍之多。稱它為“紅”巨星，是因?yàn)樵谶@恒星迅速膨脹的同時(shí)，它的外表面離中心越來(lái)越遠(yuǎn)，所以溫度將隨之而降低，發(fā)出的光也就越來(lái)越偏紅。不過(guò)，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。紅巨星一旦形成，就朝恒星的下一階段白矮星進(jìn)發(fā)。[70] 白矮星，是一種低光度、高密度、高溫度的恒星。因?yàn)轭伾拾咨Ⅲw積比較矮小，因此被命名為白矮星。哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過(guò)程 哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過(guò)程 [71] 白矮星是一種很特殊的天體，它的體積小、亮度低，但質(zhì)量大、密度極高。白矮星是中低質(zhì)量的恒星的演化路線的終點(diǎn)。在紅巨星階段的末期，恒星的中心會(huì)因?yàn)闇囟取毫Σ蛔慊蛘吆司圩冞_(dá)到鐵階段而停止產(chǎn)生能量。恒星外殼的重力會(huì)壓縮恒星產(chǎn)生一個(gè)高密度的天體。一個(gè)典型的穩(wěn)定獨(dú)立白矮星具有大約半個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，比地球略大。這種密度僅次于中子星和夸克星。如果白矮星的質(zhì)量超過(guò)1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對(duì)抗重力，電子會(huì)被壓入原子核而形成中子星。原子是由原子核和電子組成的，原子的質(zhì)量絕大部分集中在原子核上，在巨大的壓力之下，電子將脫離原子核，成自由電子。這種自由電子氣體將盡可能地占據(jù)原子核之間的空隙，從而使單位空間內(nèi)包含的物質(zhì)也將大大增多，密度大大提高了。形象地說(shuō)，這時(shí)原子核是“沉浸于”電子中，常稱之為“簡(jiǎn)并態(tài)”。[72]  大多數(shù)的恒星內(nèi)核通過(guò)氫核聚變進(jìn)行燃燒，將質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚a(chǎn)生光和熱量，當(dāng)恒星內(nèi)部氫燃料完成消耗完后就開始進(jìn)行氦融合反應(yīng)，并形成更重的碳和氧，這一過(guò)程對(duì)于類似太陽(yáng)這樣的恒星而言，就顯得較為短暫，并形成碳氧組成的白矮星，如果其質(zhì)量大于1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，就會(huì)發(fā)生Ia型超新星爆發(fā)。[73] 類星體,20世紀(jì)60年代以來(lái)，天文學(xué)家還找到一種在銀河系以外像恒星一樣表現(xiàn)為一個(gè)光點(diǎn)的天體，但實(shí)際上它的光度和質(zhì)量又和星系一樣，我們叫它類星體，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)這種天體。[74] 超新星，是恒星演化過(guò)程中的一個(gè)階段。超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。一般認(rèn)為質(zhì)量小于9倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的恒星，在經(jīng)歷引力坍縮的過(guò)程后是無(wú)法形成超新星的。[75]  在大質(zhì)量恒星演化到晚期，內(nèi)部不能產(chǎn)生新的能量，巨大的引力將整個(gè)星體迅速向中心坍縮，將中心物質(zhì)都?jí)撼芍凶訝顟B(tài)，形成中子星，而外層下坍的物質(zhì)遇到這堅(jiān)硬的“中子核”反彈引起爆炸。這就成為超新星爆發(fā)，質(zhì)量更大時(shí)，中心更可形成黑洞。[76]  在超新星爆發(fā)的過(guò)程中所釋放的能量，需要我們的太陽(yáng)燃燒900億年才能與之相當(dāng)。[77]  超新星研究有著關(guān)乎人類自身命運(yùn)的深層意義。如果一顆超新星爆發(fā)的位置非常接近地球，目前國(guó)際天文學(xué)界普遍認(rèn)為此距離在100光年以內(nèi)，它就能夠?qū)Φ厍虻纳锶Ξa(chǎn)生明顯的影響，這樣的超新星被稱為近地超新星。有研究認(rèn)為，在地球歷史上的奧陶紀(jì)大滅絕，就是一顆近地超新星引起的，這次滅絕導(dǎo)致當(dāng)時(shí)地球近60%的海洋生物消失。[78]通常認(rèn)為完整的日心說(shuō)宇宙模型是由波蘭天文學(xué)家哥白尼在1543年發(fā)表的《天體運(yùn)行論》中提出的，實(shí)際上在西方公元前300多年的阿里斯塔克和赫拉克里特就已經(jīng)提到過(guò)太陽(yáng)是宇宙的中心，地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。堅(jiān)實(shí)的大地是運(yùn)動(dòng)的這一點(diǎn)在古代是令人非常難以接受的，古代人缺乏足夠的宇宙觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及懷著以人為本的觀念，使他們誤認(rèn)為地球就是宇宙的中心。并且托勒密的地心說(shuō)體系可以很好的和當(dāng)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，因此地心說(shuō)被大眾廣泛接受并被當(dāng)時(shí)的教廷認(rèn)為是神圣不可侵犯的真理的一部分。所以在《天體運(yùn)行論》出版以后的半個(gè)多世紀(jì)里，日心說(shuō)仍然很少受到人們的關(guān)注，支持者更是非常稀少。這其中最為著名的支持者就是喬爾丹諾·布魯諾了。布魯諾一生始終與“異端”聯(lián)系在一起，并為此顛沛流離，最終還被宗教裁判所燒死在鮮花廣場(chǎng)上。他支持哥白尼日心說(shuō)，發(fā)展了“宇宙無(wú)限說(shuō)”，這些在他所處的時(shí)代中，都使其成為了風(fēng)口浪尖上的人物，因而，他常常被人們看作是近代科學(xué)興起的先驅(qū)者、是捍衛(wèi)科學(xué)真理并為此獻(xiàn)身的殉道士。有另一種說(shuō)法認(rèn)為，近代以來(lái)關(guān)于羅馬梵蒂岡的地心說(shuō)和哥白尼的日心說(shuō)的斗爭(zhēng)是被嚴(yán)重夸大的。布魯諾1600年遭受火刑的原因，并非因?yàn)樗С秩招恼f(shuō)，而是因?yàn)樗姆荷裾摗⒍嗌裾摰攘钭诮虗阑鸬淖诮趟枷搿Ｈ欢徽撊绾危剪斨Z確實(shí)對(duì)日心說(shuō)的傳播發(fā)展起到了推動(dòng)作用。事實(shí)上，直到1609年伽利略使用天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一些不利于舊有的亞里士多德宇宙論和托勒密體系從而反過(guò)來(lái)可以支持日心說(shuō)的新的天文現(xiàn)象后，日心說(shuō)才開始引起人們的關(guān)注。這些天文現(xiàn)象主要是指：月球坑坑洼洼并非像古希臘人想象的那般完美，太陽(yáng)存在黑子（從而天界或 “月上界”并非不變），木衛(wèi)體系的發(fā)現(xiàn)直接說(shuō)明了地球不是唯一中心，金星完整相變的發(fā)現(xiàn)也暴露了托勒密體系的錯(cuò)誤。然而，由于哥白尼的日心說(shuō)所得的數(shù)據(jù)和托勒密體系的數(shù)據(jù)都不能與第谷的觀測(cè)相吻合，因此日心說(shuō)此時(shí)仍不具優(yōu)勢(shì)。直至開普勒以橢圓軌道取代圓形軌道修正了日心說(shuō)之后，日心說(shuō)在于地心說(shuō)的競(jìng)爭(zhēng)中才取得了真正的勝利。觀點(diǎn) 哥白尼為闡述自己關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)的基本思想撰寫題為《短論》的論文。他規(guī)定地球有三種運(yùn)動(dòng)：一種是繞地軸的周日自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ；一種是環(huán)繞太陽(yáng)的周年運(yùn)動(dòng)；一種是用以使得被認(rèn)為鑲嵌在天球上的地球在繞日公轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠保持地軸的指向不變的地軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。哥白尼在他的《天體運(yùn)行論》一書中認(rèn)為天體運(yùn)動(dòng)必須滿足以下七點(diǎn)：不存在一個(gè)所有天體軌道或天體的共同的中心；地球只是月球軌道的中心，并不是宇宙的中心；所有天體都繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，宇宙的中心在太陽(yáng)附近；地球到太陽(yáng)的距離同天穹高度之比是微不足道的；在天空中看到的任何運(yùn)動(dòng)，都是地球運(yùn)動(dòng)引起的；日心說(shuō) 日心說(shuō) 人們看到的行星向前和向后運(yùn)動(dòng)，是由于地球運(yùn)動(dòng)引起的。地球的運(yùn)動(dòng)足以解釋人們?cè)诳罩幸姷降母鞣N現(xiàn)象；哥白尼用以支持他的學(xué)說(shuō)的論據(jù)，主要屬于數(shù)學(xué)性質(zhì)。他認(rèn)為一個(gè)科學(xué)學(xué)說(shuō)是從某些假說(shuō)引申出來(lái)的一組觀念。他認(rèn)為真正的假說(shuō)或者定理必須能夠做到下面兩件事情：它們必須能夠說(shuō)明天體所觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)。它們必須不能違背畢達(dá)哥拉斯關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)是圓周的和均勻的論斷。當(dāng)時(shí)有許多反對(duì)的觀點(diǎn)，但是哥白尼用當(dāng)時(shí)的知識(shí)進(jìn)行了反駁。反對(duì)理由：如果地球在轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣就會(huì)落在后面，而形成一股持久的東風(fēng)。哥白尼答復(fù)：空氣含有土微粒，和土地是同一性質(zhì)，因此逼得空氣要跟著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。空氣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沒(méi)有阻力是因?yàn)榭諝夂筒粩噢D(zhuǎn)動(dòng)的地球是連接著的。反對(duì)理由：一塊石子向上拋去，就會(huì)被地球的轉(zhuǎn)動(dòng)拋在后面，而落在拋擲點(diǎn)的西面。哥白尼答復(fù)：由于受到本身重量壓力的物體主要屬于泥土性質(zhì)，所以各個(gè)部分毫無(wú)疑問(wèn)和它們的整體保持同樣的性質(zhì)。反對(duì)理由：如果地球轉(zhuǎn)動(dòng)，它就會(huì)因離心力的作用變得土崩瓦解。如果地球不轉(zhuǎn)動(dòng)，那么像恒星那些更龐大的星球就必須以極大的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，這一來(lái)恒星就很容易被離心力拉得粉碎。哥白尼答復(fù)：離心力只在非天然的人為運(yùn)動(dòng)中找得到，而在天然的運(yùn)動(dòng)中，如地球和天體的運(yùn)動(dòng)中，則是找不到的。[2] 地心說(shuō) 地心說(shuō) 地心說(shuō) 地心說(shuō)是長(zhǎng)期盛行于古代歐洲的宇宙學(xué)說(shuō)。它最初由古希臘學(xué)者歐多克斯（提出“同心球”模型）提出，后經(jīng)亞里士多德、托勒密進(jìn)一步發(fā)展而逐漸建立和完善起來(lái)。托勒密認(rèn)為，地球處于宇宙中心靜止不動(dòng)。從地球向外，依次有月球、水星、金星、太陽(yáng)、火星、木星和土星，在各自的圓軌道上繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，行星的運(yùn)動(dòng)要比太陽(yáng)、月球復(fù)雜些：行星在本輪上運(yùn)動(dòng)，而本輪又沿均輪繞地運(yùn)行。在太陽(yáng)、月球行星之外，是鑲嵌著所有恒星的天球——恒星天。再外面，是推動(dòng)天體運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)天。地心說(shuō)是世界上第一個(gè)行星體系模型。盡管它把地球當(dāng)作宇宙中心是錯(cuò)誤的，然而它的歷史功績(jī)不應(yīng)抹殺。地心說(shuō)承認(rèn)地球是“球形”的，并把行星從恒星中區(qū)別出來(lái)，著眼于探索和揭示行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這標(biāo)志著人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的一大進(jìn)步。地心說(shuō)最重要的成就是運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算行星的運(yùn)行，托勒密還第一次提出“運(yùn)行軌道”的概念，設(shè)計(jì)出了一個(gè)本輪均輪模型。按照這個(gè)模型，人們能夠?qū)π行堑倪\(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量計(jì)算，推測(cè)行星所在的位置，這是一個(gè)了不起的創(chuàng)造。在一定時(shí)期里，依據(jù)這個(gè)模型可以在一定程度上正確地預(yù)測(cè)天象，因而在生產(chǎn)實(shí)踐中也起過(guò)一定的作用。地心說(shuō)中的本輪均輪模型，畢竟是托勒密根據(jù)有限的觀察資料拼湊出來(lái)的，他是通過(guò)人為地規(guī)定本輪、均輪的大小及行星運(yùn)行速度，才使這個(gè)模型和實(shí)測(cè)結(jié)果取得一致。但是，到了中世紀(jì)后期，隨著觀察儀器的不斷改進(jìn)，行星位置和運(yùn)動(dòng)的測(cè)量越來(lái)越精確，觀測(cè)到的行星實(shí)際位置同這個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果的偏差，就逐漸顯露出來(lái)了。但是，信奉地心說(shuō)的人們并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這是由于地心說(shuō)本身的錯(cuò)誤造成的，卻用增加本輪的辦法來(lái)補(bǔ)救地心說(shuō)。當(dāng)初這種辦法還能勉強(qiáng)應(yīng)付，后來(lái)小本輪增加到80多個(gè)，但仍不能滿意地計(jì)算出行星的準(zhǔn)確位置。這不能不使人懷疑地心說(shuō)的正確性了。到了16世紀(jì)，哥白尼在持日心地動(dòng)觀的古希臘先輩和同時(shí)代學(xué)者的基礎(chǔ)上，終于創(chuàng)立了“日心說(shuō)”。從此，地心說(shuō)便逐漸被淘汰了。簡(jiǎn)單的說(shuō),“地心說(shuō)”就是以地球?yàn)橛钪娴闹行?“日心說(shuō)”是以太陽(yáng)為宇宙的中心。創(chuàng)立編輯 哥白尼提出 1499年，哥白尼畢業(yè)于意大利的博洛尼亞大學(xué)，任天主教教士。他回到波蘭跟叔父一起工作。其叔父，瓦茨 日心說(shuō) 日心說(shuō) 恩羅德，是費(fèi)瑯堡天主教大教堂的主教。哥白尼當(dāng)時(shí)住在教堂的頂樓，因此可以長(zhǎng)期進(jìn)行天文觀測(cè)。那個(gè)時(shí)候，人們相信的是1500多年前希臘科學(xué)家托勒密創(chuàng)立的宇宙模式。托勒密認(rèn)為地球是宇宙的中心且靜止不動(dòng)，日、月、行星和恒星均圍繞地球運(yùn)動(dòng)，而恒星遠(yuǎn)離地球，位于太空這個(gè)巨型球體之外。然而，經(jīng)仔細(xì)觀測(cè)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)行規(guī)律與托勒密的宇宙模式不吻合。一些科學(xué)家修正了托勒密的宇宙軌道學(xué)說(shuō)，在原有的軌道（或稱小天體軌道）上又增加了更多的天體運(yùn)行軌道。這一模式稱每顆行星都沿著一個(gè)小軌道作圓周運(yùn)行，而小軌道又沿著該行星的大軌道繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)。幾百年之后，這一模式的漏洞越來(lái)越明顯。科學(xué)家們又在這個(gè)模式上增加了許多軌道，行星就這樣沿著一道又一道的軌道作圓周運(yùn)動(dòng)。哥白尼想用“現(xiàn)代”（16世紀(jì)的）技術(shù)來(lái)改進(jìn)托勒密的測(cè)量結(jié)果，以期取消一些小軌道。在長(zhǎng)達(dá)近20年的時(shí)間里，哥白尼不辭辛勞日夜測(cè)量行星的位置，但其測(cè)量獲得的結(jié)果仍然與托勒密的天體運(yùn)行模式?jīng)]有多少差別。哥白尼想知道在另一個(gè)運(yùn)行著的行星上觀察這些行星的運(yùn)行情況會(huì)是什么樣的。基于這種設(shè)想，哥白尼萌發(fā)了一個(gè)念頭：假如地球在運(yùn)行中，那么這些行星的運(yùn)行看上去會(huì)是什么情況呢？這一設(shè)想在他腦海里變得清晰起來(lái)了。一年里，哥白尼在不同的時(shí)間、不同的距離從地球上觀察行星，每一個(gè)行星的情況都不相同，這是他意識(shí)到地球不可能位于星星軌道的中心。經(jīng)過(guò)20年的觀測(cè)，哥白尼發(fā)現(xiàn)唯獨(dú)太陽(yáng)的周年變化不明顯。這意味著地球和太陽(yáng)的距離始終沒(méi)有改變。如果地球不是宇宙的中心，那么宇宙的中心就是太陽(yáng)。他立刻想到如果把太陽(yáng)放在宇宙的中心位置，那么地球就該繞著太陽(yáng)運(yùn)行。這樣他就可以取消所有的小圓軌道模式，直接讓所有的已知行星圍繞太陽(yáng)作圓周運(yùn)動(dòng)。然而，人們是否能接受哥白尼提出的新的宇宙模式呢？全世界的人——尤其是權(quán)力極大的天主教會(huì)是否相信太陽(yáng)是宇宙中心這一說(shuō)法呢？由于害怕教會(huì)的懲罰，哥白尼在世時(shí)不敢公開他的發(fā)現(xiàn)。1543年，這一發(fā)現(xiàn)才公諸天下。即使在那個(gè)時(shí)候，哥白尼的發(fā)現(xiàn)還不斷受到教會(huì)、大學(xué)等機(jī)構(gòu)與天文學(xué)家的蔑視和嘲笑。終于，在60年后，約翰尼斯·開普勒和伽利略·伽利雷證明了哥白尼是正確的。[3] 阿里斯塔克斯提倡 阿里斯塔克斯（Aristarchus, 約公元前 310年- 約公元前230年），是人類歷史上有記載的首位提倡日心說(shuō)的天文學(xué)者，是古希臘時(shí)期、也是人類歷史上有記載的最偉大的天文學(xué)家，數(shù)學(xué)家。他生于古希臘薩摩斯島。他將太陽(yáng)而不是地球放置在整個(gè)已知宇宙的中心，他是人類歴史上有記載的最早期的日心說(shuō)的提倡者之一。但是在當(dāng)時(shí)的古希臘、他的宇宙觀和杰出的智慧并未能被當(dāng)時(shí)的人們所理解，并被亞里士多德和托勒密的才華之光芒所掩蓋，直到16世紀(jì)（約1760年以后），哥白尼才很好地發(fā)展和完善了阿里斯塔克斯的宇宙觀和理論。古希臘天文學(xué)晚期最著名的是亞歷山大學(xué)派，阿里斯塔克斯是這一學(xué)派早期的代表人物。他的大部分著作至今已失傳，流傳至今的唯一著作，就是關(guān)于太陽(yáng)和月球的體積以及到地球的距離的論著，但是，通過(guò)其他人的引證，可以知道他還寫了另一本書，在書中他發(fā)展了一個(gè)變通的日心說(shuō)的模型。在該文中，他敘述了從日食、月食中月球和地球的陰影比例大小，推測(cè)出太陽(yáng)實(shí)際上比地球大得多、月球比地球小。又由月球在上弦和下弦間的夾角，推測(cè)出太陽(yáng)距離地球是月球距離地球的十倍。阿里斯塔克斯認(rèn)為太陽(yáng)，月球和地球在每個(gè)月的首個(gè)或最后的四分之一時(shí)期內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)近似的直角三角形。他估計(jì)最大角約為87°。盡管他應(yīng)用的幾何理論沒(méi)有錯(cuò)，但由于觀測(cè)數(shù)據(jù)有偏差，他得出了日地距離是月地距離的20倍的結(jié)論。事實(shí)上，前者是后者的390倍。阿里斯塔克斯指出，月球和太陽(yáng)有幾乎相同的視角，因此他們的直徑與他們到地球的距離是成正比的。這符合邏輯。阿里斯塔克斯指出了太陽(yáng)明顯大于地球，恰恰可以用來(lái)證明日心說(shuō)模型。阿里斯塔克斯觀察到月球穿過(guò)地球的陰影需要一個(gè)恒星月的時(shí)間。因此他估計(jì)到地球的直徑是月球的三倍。根據(jù)埃拉托色尼所計(jì)算的42000公里的地球周長(zhǎng)，他認(rèn)為月球的周長(zhǎng)應(yīng)為14000公里。事實(shí)上，月球的周長(zhǎng)約為10916公里。阿里斯塔克斯還認(rèn)為一個(gè)大的東西不應(yīng)該繞小的東西轉(zhuǎn)動(dòng)，于是他提出了“日心地動(dòng)說(shuō)”（可惜未被當(dāng)代人接受）。他認(rèn)為地球一方面每天自西向東轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)致天體的東升西落景象。另一方面它又在一年中繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周，水、金、火、木、土等行星也是一樣繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。他還認(rèn)為與地球繞日公轉(zhuǎn)的軌道直徑相比，恒星幾乎在無(wú)限遠(yuǎn)處。因此無(wú)法看到由于地球公轉(zhuǎn)而造成的恒星視差現(xiàn)象。關(guān)于阿里斯塔克斯的日心說(shuō) 阿里斯塔克斯提出日心論的論文已經(jīng)遺失。我們之所以知道它的存在，是因?yàn)橐恍┖蟠鷮W(xué)者曾經(jīng)提起，其中最著名的是阿基米德與普魯塔克（Plutarch）。阿基米德指出阿里斯塔克斯日心宇宙模型的重點(diǎn)為：* 太陽(yáng)與固定的恒星不會(huì)運(yùn)動(dòng)。* 地球繞太陽(yáng)運(yùn)行。* 地球的軌道為圓形。* 太陽(yáng)位于該圓的中心。* 固定的恒星距離太陽(yáng)與地球極為遙遠(yuǎn)。羅馬歷史學(xué)家普魯塔克在兩個(gè)世紀(jì)之后，于論述中提供了更多的細(xì)節(jié)。他告訴我們，阿里斯塔克斯認(rèn)為是由于地球每日一周地旋轉(zhuǎn)，給予我們天空繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的印象。因此，阿里斯塔克顯然了解地球是球體，而天空看起來(lái)像在旋轉(zhuǎn)，其實(shí)是地球每日的旋轉(zhuǎn)所造成的。這或許可以解釋為什么一般會(huì)認(rèn)為他是新型天文儀器skaphe的發(fā)明者，skaphe是一種碗狀日晷，與源自巴比倫人的平面日晷（gnomons）不同，skaphe可正確地追蹤太陽(yáng)在天空中移動(dòng)的路徑。普魯塔克也告訴我們，阿里斯塔克教導(dǎo)地球沿著“太陽(yáng)圓周”運(yùn)行的觀念，此即為太陽(yáng)黃道（ecliptic）的觀念。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，阿里斯塔克斯在把地球視為行星后，也將其他行星放到環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道上。阿里斯塔克斯知道他的模型將大幅增加宇宙的大小。若地球并未移動(dòng)，那恒星就可能落在太陽(yáng)、月球與行星之外。但若地球沿巨大的圓周繞太陽(yáng)移動(dòng)，它有時(shí)會(huì)比較靠近某些恒星，有時(shí)又會(huì)離它們較遠(yuǎn)。除非恒星距離地球極遠(yuǎn)，否則在地球靠近或遠(yuǎn)離恒星群時(shí)，它們看起來(lái)應(yīng)該會(huì)擴(kuò)大或縮小。但是由于并未發(fā)生這種現(xiàn)象，因此地球必然是在極大的宇宙中不斷運(yùn)動(dòng)。不幸的是，阿里斯塔克斯的宇宙觀和理論，當(dāng)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在時(shí)代的前面，因而得不到一般公眾的承認(rèn)，克雷安德斯竟要求希臘人控告阿里斯塔克斯的瀆神之罪。之后阿里斯塔克斯的思想學(xué)說(shuō)就像珍貴的戒指被扔入大海般消失無(wú)蹤。直到哥白尼的出現(xiàn)。伽利略的論證 伽利略是通過(guò)數(shù)學(xué)邏輯相信哥白尼。這一點(diǎn)與布魯諾沒(méi)有區(qū)別。同時(shí)，伽利略發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡，一定程度證明了哥白尼的正確。但是，在羅馬宗教事務(wù)所組織的學(xué)術(shù)討論中，伽利略沒(méi)有戰(zhàn)勝自己的對(duì)手，導(dǎo)致了最后的悲劇：當(dāng)時(shí)“地球繞太陽(yáng)”和“太陽(yáng)繞地球”都有科學(xué)證據(jù)，而伽利略學(xué)說(shuō)的破綻之一，是科學(xué)家探測(cè)不到“斗轉(zhuǎn)星移”（Stellar Parallax）的現(xiàn)象。什么是斗轉(zhuǎn)星移呢？這名堂十分嚇人，其實(shí)意思很簡(jiǎn)單。如圖一顯示，假設(shè)星星 A 和星星 B 懸浮在太空中，我在地球表面之觀察點(diǎn) 1 仰望星星 A 和星星 B 時(shí)，它們的距離好像十分接近，如果地球自轉(zhuǎn)，即使我站在原地不動(dòng)，我將會(huì)隨著地球移動(dòng)而去了觀察點(diǎn) 2 ，由觀察點(diǎn) 2 看同樣兩顆星星，它們的相對(duì)位置便會(huì)改變，由角度 Y 比角度 X 大就可以知道。換言之，如果發(fā)現(xiàn)有斗轉(zhuǎn)星移的現(xiàn)象，那么地球轉(zhuǎn)動(dòng)就可以成立；假若沒(méi)有斗轉(zhuǎn)星移，地球應(yīng)該是在固定地方。十六世紀(jì)時(shí)天文學(xué)家泰高．巴希（Tycho Brahe）以當(dāng)時(shí)最精密的儀器，去探測(cè)是否有“斗轉(zhuǎn)星移”，可是看來(lái)群星的相對(duì)位置和距離好像沒(méi)有改變，因此地球轉(zhuǎn)動(dòng)之說(shuō)不被接納。但是，伽利略指導(dǎo)數(shù)學(xué)原則的價(jià)值。他始終相信日心說(shuō)。意義編輯 地心說(shuō)的錯(cuò)誤 哥白尼的“日心說(shuō)”發(fā)表之前，“地心說(shuō)”在中世紀(jì)的歐洲一直居于統(tǒng)治地位。自古以來(lái)，人類就對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)不斷地進(jìn)行著思考，早在古希臘時(shí)代就有哲學(xué)家提出了地球在運(yùn)動(dòng)的主張，只是當(dāng)時(shí)缺乏依據(jù)，因此沒(méi)有得到人們的認(rèn)可。在古代歐洲，亞里士多德和托勒密主張“地心說(shuō)”，認(rèn)為地球是靜止不動(dòng)的，其他的星體都圍著地球這一宇宙中心旋轉(zhuǎn)。這個(gè)學(xué)說(shuō)的提出與基督教《圣經(jīng)》中關(guān)于天堂、人間、地獄的說(shuō)法剛好互相吻合，處于統(tǒng)治地位的教廷便竭力支持地心學(xué)說(shuō)，把“地心說(shuō)”和上帝創(chuàng)造世界融為一體，用來(lái)愚弄人們，維護(hù)自己的統(tǒng)治。因而“地心學(xué)”說(shuō)被教會(huì)奉為和《圣經(jīng)》一樣的經(jīng)典，長(zhǎng)期居于統(tǒng)治地位。隨著事物的不斷發(fā)展，天文觀測(cè)的精確度漸漸提高，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了地心學(xué)說(shuō)的破綻。到文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)時(shí)期，人們發(fā)現(xiàn)托勒密所提出的均輪和本輪的數(shù)目竟多達(dá)八十個(gè)左右，這顯然是不合理、不科學(xué)的。人們期待著能有一種科學(xué)的天體系統(tǒng)取代地心說(shuō)。在這種歷史背景下，哥白尼的地動(dòng)學(xué)說(shuō)應(yīng)運(yùn)而生了。約在1515年前，哥白尼為闡述自己關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)的基本思想撰寫了篇題為《淺說(shuō)》的論文，他認(rèn)為天體運(yùn)動(dòng)必須滿足以下七點(diǎn)：不存在一個(gè)所有天體軌道或天體的共同的中心；地球只是引力中心和月球軌道的中心，并不是宇宙的中心；所有天體都繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，宇宙的中心在太陽(yáng)附近；地球到太陽(yáng)的距離同天穹高度之比是微不足道的；在天空中看到的任何運(yùn)動(dòng)，都是地球運(yùn)動(dòng)引起的，在空中看到的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的一切現(xiàn)象，都不是它本身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，而是地球運(yùn)動(dòng)引起的，地球同時(shí)進(jìn)行著幾種運(yùn)動(dòng)；人們看到的行星向前和向后運(yùn)動(dòng)， 日心說(shuō) 日心說(shuō) 是由于地球運(yùn)動(dòng)引起的。地球的運(yùn)動(dòng)足以解釋人們?cè)诳罩幸姷降母鞣N現(xiàn)象了。此外，哥白尼還描述了太陽(yáng)、月球、三顆外行星(土星、木星和火星)和兩顆內(nèi)行星(金星、水星)的視運(yùn)動(dòng)。書中，哥白尼批判了托勒密的理論，科學(xué)地闡明了天體運(yùn)行的現(xiàn)象，推翻了長(zhǎng)期以來(lái)居于統(tǒng)治地位的地心說(shuō)，并從根本上否定了基督教關(guān)于上帝創(chuàng)造一切的謬論，從而實(shí)現(xiàn)了天文學(xué)中的根本變革。他正確地論述了地球繞其軸心運(yùn)轉(zhuǎn)、月亮繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)、地球和其他所有行星都繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的事實(shí)。但是他也和前人一樣嚴(yán)重低估了太陽(yáng)系的規(guī)模。他認(rèn)為星體運(yùn)行的軌道是一系列的同心圓，這當(dāng)然是錯(cuò)誤的。他的學(xué)說(shuō)里的數(shù)學(xué)運(yùn)算很復(fù)雜也很不準(zhǔn)確。但是他的書立即引起了極大的關(guān)注，驅(qū)使一些其他天文學(xué)家對(duì)行星運(yùn)動(dòng)作更為準(zhǔn)確的觀察，其中最著名的是丹麥偉大的天文學(xué)家泰壽·勃萊荷，開普勒就是根據(jù)泰壽積累的觀察資料，最終推導(dǎo)出了星體運(yùn)行的正確規(guī)律。這是一個(gè)前所未聞的開創(chuàng)新紀(jì)元的學(xué)說(shuō)，對(duì)于千百年來(lái)學(xué)界奉為定論的托勒密地球中心說(shuō)無(wú)疑是當(dāng)頭一棒。雖然阿里斯塔克斯比哥白尼提出日心學(xué)說(shuō)早1700多年，但是事實(shí)上哥白尼得到了這一盛譽(yù)。阿里斯塔克斯只是憑借靈感做了一個(gè)猜想，并沒(méi)有加以詳細(xì)的討論，因而他的學(xué)說(shuō)在科學(xué)上毫無(wú)用處。哥白尼逐個(gè)解決了猜想中的數(shù)學(xué)問(wèn)題后，就把它變成了有用的科學(xué)學(xué)說(shuō)──一種可以用來(lái)做預(yù)測(cè)的學(xué)說(shuō)，通過(guò)對(duì)天體觀察結(jié)果的檢驗(yàn)并與地球是宇宙中心的舊學(xué)說(shuō)的比較，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的重大意義。顯然哥白尼的學(xué)說(shuō)是人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的革命，它使人們的整個(gè)世界觀都發(fā)生了重大變化。但是在估價(jià)哥白尼的影響時(shí)，我們還應(yīng)該注意到，天文學(xué)的應(yīng)用范圍不如物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)那樣廣泛。從理論上來(lái)講，人們即使對(duì)哥白尼學(xué)說(shuō)的知識(shí)和應(yīng)用一竅不通，也會(huì)造出電視機(jī)、汽車和現(xiàn)代化學(xué)廠之類的東西。但是不應(yīng)用法拉第、麥克斯韋、拉瓦錫和牛頓的學(xué)說(shuō)則是不可想象的。僅僅考慮哥白尼學(xué)說(shuō)對(duì)技術(shù)的影響就會(huì)完全忽略它的真正意義。哥白尼的書對(duì)伽利略和開普勒的工作是一個(gè)不可缺少的序幕。他倆又成了牛頓的主要前輩。是這兩者的發(fā)現(xiàn)才使牛頓有能力確定運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律。哥白尼的日心宇宙體系既然是時(shí)代的產(chǎn)物，它就不能不受到時(shí)代的限制。反對(duì)神學(xué)的不徹底性，同時(shí)表現(xiàn)在哥白尼的某些觀點(diǎn)上，他的體系是存在缺陷的。哥白尼所指的宇宙是局限在一個(gè)小的范圍內(nèi)的，具體來(lái)說(shuō)，他的宇宙結(jié)構(gòu)就是今天我們所熟知的太陽(yáng)系，即以太陽(yáng)為中心的天體系統(tǒng)。宇宙既然有它的中心，就必須有它的邊界，哥白尼雖然否定了托勒玫的“九重天”，但他卻保留了一層恒星天，盡管他回避了宇宙是否有限這個(gè)問(wèn)題，但實(shí)際上他是相信恒星天球是宇宙的“外殼”，他仍然相信天體只能按照所謂完美的圓形軌道運(yùn)動(dòng)，所以哥白尼的宇宙體系，仍然包含著不動(dòng)的中心天體。但是作為近代自然科學(xué)的奠基人，哥白尼的歷史功績(jī)是偉大的。確認(rèn)地球不是宇宙的中心，而是行星之一，從而掀起了一場(chǎng)天文學(xué)上根本性的革命，是人類探求客觀真理道路上的里程碑。哥白尼的偉大成就，不僅鋪平了通向近代天文學(xué)的道路，而且開創(chuàng)了整個(gè)自然界科學(xué)向前邁進(jìn)的新時(shí)代。從哥白尼時(shí)代起，脫離教會(huì)束縛的自然科學(xué)和哲學(xué)開始獲得飛躍的發(fā)展。哥白尼的科學(xué)成就，是他所處時(shí)代的產(chǎn)物，又轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)推動(dòng)了時(shí)代的發(fā)展。順應(yīng)時(shí)代變化 十五、六世紀(jì)的歐洲，正是從封建社會(huì)向資本主義社會(huì)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，在這一二百年間，社會(huì)發(fā)生了巨大的變化。14世紀(jì)以前的歐洲，到處是四分五裂的小城邦。后來(lái)，隨著城市工商業(yè)的興起，特別是采礦和冶金業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多新興的大城市，小城邦有了聯(lián)合起來(lái)組成國(guó)家的趨勢(shì)。到 15世紀(jì)末葉，在許多國(guó)家里都出現(xiàn)了基本上是中央集權(quán)的君主政體。當(dāng)時(shí)的波蘭不僅有像克拉科夫、波茲南這樣的大城市，也有許多手工業(yè)興盛的城市。1526年歸并于波蘭的華沙已成為一個(gè)重要的商業(yè)、政治、文化和地理的中心，在16世紀(jì)末成了波蘭國(guó)家的首都。與這種政治經(jīng)濟(jì)變革相適應(yīng)，文化、科學(xué)上也開始有所反映。當(dāng)時(shí)，歐洲是“政教合一”，羅馬教廷控制了許多國(guó)家，圣經(jīng)被宣布為至高無(wú)上的真理，凡是違背圣經(jīng)的學(xué)說(shuō)，都被斥為“異端邪說(shuō)”，凡是反對(duì)神權(quán)統(tǒng)治的人，都被處以火刑。新興的資產(chǎn)階級(jí)為自己的生存和發(fā)展，掀起了一場(chǎng)反對(duì)封建制度和教會(huì)迷信思想的斗爭(zhēng)，出現(xiàn)了人文主義的思潮。他們使用的戰(zhàn)斗武器，就是未被神學(xué)染污的古希臘的哲學(xué)、科學(xué)和文藝。這就是震撼歐洲的文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)。文藝復(fù)興首先發(fā)生于意大利，很快就擴(kuò)大到波蘭及歐洲其他國(guó)家。與此同時(shí)，商業(yè)的活躍也促進(jìn)了對(duì)外貿(mào)易的發(fā)展。在“黃金”這個(gè)符咒的驅(qū)使下，許多歐洲冒險(xiǎn)者遠(yuǎn)航非洲、印度及整個(gè)遠(yuǎn)東地區(qū)。遠(yuǎn)洋航行需要豐富的天文和地理知識(shí)，從實(shí)際中積累起來(lái)的觀測(cè)資料，使人們感到當(dāng)時(shí)流行的“地靜天動(dòng)”的宇宙學(xué)說(shuō)值得懷疑，這就要求人們進(jìn)一步去探索宇宙的秘密，從而推進(jìn)了天文學(xué)和地理學(xué)的發(fā)展。1492年，意大利著名的航海家哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，麥哲倫和他的同伴繞地球一周，證明地球是圓形的，使人們開始真正認(rèn)識(shí)地球。[4] 對(duì)他國(guó)的影響 在教會(huì)嚴(yán)密控制下的中世紀(jì)，也發(fā)生過(guò)轟轟烈烈的宗教革命。因?yàn)樘熘鹘痰暮芏嘟塘x不符合圣經(jīng)的教誨，而加入了太多教皇的個(gè)人意志以及各類神學(xué)家的自身成果，所以很多信徒開始質(zhì)疑天主教的教義和組織，發(fā)起回歸圣經(jīng)的行動(dòng)來(lái)。捷克的愛(ài)國(guó)主義者、布拉格大學(xué)校長(zhǎng)揚(yáng)·胡斯（1369～1415年）在君士坦丁堡的宗教會(huì)議上公開譴責(zé)德意志封建主與天主教會(huì)對(duì)捷克的壓迫和剝削。他雖然被反動(dòng)教會(huì)處以火刑，但他的革命活動(dòng)在社會(huì)上引起了強(qiáng)烈的反應(yīng)。捷克農(nóng)民在胡斯黨人的旗幟下舉行起義，這次運(yùn)動(dòng)也波及波蘭。1517年，在德國(guó)，馬丁·路德（1483～1546年）反對(duì)教會(huì)販賣贖罪符，與羅馬教皇公開決裂。1521年，路德又在沃爾姆國(guó)會(huì)上揭露羅馬教廷的罪惡，并提出建立基督教新教的主張。新教的教義得到許多國(guó)家的支持，波蘭也深受影響。